Schreiben-Bragg-Gitter in Multicore- Fibers

Zusammenfassung

Wir beschreiben eine Technik zum Einschreiben identischer Faser-Bragg-Gitter in jeden Kern einer Multicore-Faser. Dies wird erreicht, indem eine zusätzliche Oberfläche in den Strahlengang eingeführt wird, um die Linsenbildung durch die gekrümmte Oberfläche des Fasermantels zu mildern.

Zusammenfassung

Faser-Bragg-Gitter in Multicore-Fasern können als kompakte und robuste Filter in astronomischen und anderen Forschungs- und kommerziellen Anwendungen verwendet werden. Eine starke Unterdrückung bei einer einzigen Wellenlänge setzt voraus, dass alle Kerne über übereinstimmende Übertragungsprofile verfügen. Diese Gitter können nicht mit der gleichen Methode wie bei einadrigen Fasern beschriftet werden, da die gekrümmte Oberfläche des Mantels als Linse wirkt, den einfallenden UV-Laserstrahl fokussiert und Schwankungen in der Belichtung zwischen den Kernen verursacht. Daher verwenden wir ein zusätzliches optisches Element, um sicherzustellen, dass sich die Strahlform beim Durchgang durch den Querschnitt der Multicore-Faser nicht verändert. Diese besteht aus einem einseitig flach polierten Glaskapillarrohr, das dann über den zu beschriftenden Abschnitt der Faser gelegt wird. Der Laserstrahl tritt durch die flache Oberfläche des Kapillarrohrs in die Faser ein und behält so seine ursprünglichen Abmessungen bei. Diese Arbeit zeigt die Verbesserungen der Kern-zu-Kern-Gleichmäßigkeit für eine 7-adrige Faser mit dieser Methode. Die Technik kann auf größere Multicore-Fasern verallgemeinert werden.

Einleitung

Faser - Bragg - Gitter (FBGs) als schmalbandige Filter aufgrund der Tatsache , weithin verwendet wird, kann sie für eine große Anzahl von Anwendungen ¹ angepasst werden. Sie sind nicht auf Unterdrückung von einzelnen Wellenlängen beschränkt; komplexe Transmissionsspektren können ² durch die Verwendung von aperiodischen Brechungsindexvariationen erzeugt werden. Eine Einschränkung ist, dass FBGs kann nur in Einmodenfasern (SMF) eingeschrieben werden, da die Wellenlänge, die für eine gegebene Gitterperiode hängt von der Ausbreitungskonstante unterdrückt wird. In einer Multimode-Faser (MMF), wobei jeder Modus eine unterschiedliche Ausbreitungskonstante aufweist, ist die unterdrückt Wellenlänge für jeden Modus unterschiedlich und daher nicht das Gitter nicht starke Unterdrückung zu jeder einzelnen Wellenlänge geben.

Der Anstoß für das Experiment stammt aus der Astronomie. Unter seeing-limitierten Bedingungen, ist eine direkte Kopplung in eine SMF schwierig und ineffizient; extreme adaptive Optik sind erforderlich , damit ³ zu tun. Wegen dieses MMFs sind typmatisch verwendet , wenn von dem Teleskop Brennebene ⁴ Sammeln von Licht. Deshalb zur Verfügung, um die Funktionalität zu halten nur zu SMFs, ist es notwendig, eine effiziente Umwandlung zwischen SMFs und MMFs zu haben. Dies ist möglich mit der photonischen Laterne, eine Vorrichtung , die auf ein Array von SMFs über einen Verjüngungs Übergang ⁵ angeschlossen eines Multimode - Port besteht. Photonic Laternen wurden in GNOSIS Instrument verwendet wird , in dem die SMFs FBGs enthaltenen atmosphärischen Emissionslinien zu entfernen (durch OH - Radikale und andere Moleküle) von Nahinfrarot-Beobachtungen ^6. Die Nachteile der Verwendung von einzelnen, Single-Core-SMFs für diese Aufgabe sind, dass sie eins nach dem anderen und gespleißt einzeln in den optischen Zug geschrieben werden müssen, erfordert viel Zeit und manuellen Aufwand. Die Technik, die in diesem Artikel beschrieben wird versucht, diese Mängel unter Verwendung eines komplexeren Faser Format zu adressieren, die Single-Mode-Funktionalität bereitzustellen.

Die nächste Generation OH supprITZUNG Instrument PRAXIS ⁷ wird die Verwendung von Multi-Core - Fasern (MCFs) machen. Diese Fasern enthalten eine beliebige Anzahl von Single-moded Kerne in einem einzigen Mantel eingebettet. Der Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass die MCF kann die resultierende photonischer Laterne ist ein kompaktes und robustes in sich geschlossene Einheit in einem MMF verjüngt werden. Im fertigen Instrument, das Licht von dem Teleskop in die MMF-Port der Laterne angekoppelt werden; die Verjüngung Übergang wird dieses Licht in den Single-Mode-Kerne trennen, wo es durch die FBGs passieren. Nachdem die Wellenlänge des verbleibenden Lichtfilterung auf einen Detektor verteilt wird, gesammelt die Spektren.

Mit MCFs beschleunigt auch den Prozess des Schreibens Gitter nach oben, da alle Kerne in einem einzigen Durchgang eingeschrieben werden. Jedoch muß der Schreibprozess modifiziert werden, um zu gewährleisten, dass alle Kerne die gleichen Reflexionseigenschaften aufweisen. Dies ist, weil die gekrümmte Fläche der Verkleidung wirkt als Linse während Neben Schreiben der FBGs, resulting in einem UV-Feld, das verwendet wird, wenn die Standard-Seitenschreibverfahren an jedem Kern in Kraft und Richtung variiert. Daher wird jeder Kern eine unterschiedliche Übertragungsprofil aufweisen, und die Faser wird nicht starke Unterdrückung bei einer einzigen Wellenlänge ⁸ bereitzustellen.

Eine Gruppe an der Naval Research Laboratory experimentierten die Verteilung und die Lichtempfindlichkeit von Kernen mit Modifizierung der Effekte dieser Variation ⁹ aufzuheben. Der Nachteil der Verwendung eines solchen Ansatzes ist, dass die Faser für jede Kombination von Mantel Größe neu gestaltet werden müssen, Kerngröße, Anzahl der Kerne und der chemischen Zusammensetzung. Außerdem bedeutet das Fehlen axialer Symmetrie in den resultierenden Designs, die die MCF nicht effektiv in eine MMF mit einem kreisförmigen Kern verjüngt sein. Dieses Papier nennt eine andere Herangehensweise an das Problem: das Feld innerhalb der Faser zu modifizieren, indem es durch eine flache Oberfläche passieren zu müssen, anstatt auf der gekrümmten Verkleidung direkt Vorfall zu sein. Mit diesem Ansatz ergibt sich einTechnik, die auf eine Vielzahl von MCF-Designs und Größen, insbesondere die achsensymmetrische Fasern, die wir in photonischer Laternen aufnehmen wollen übertragbar ist.

Um die notwendige ebene Oberfläche zu erzeugen, wird das MCF in einer UV-transparenten Kapillarrohr angeordnet, die auf einer Seite geschliffen und poliert wurde, eine flache Außenwand zu geben. Ein kleiner Spalt ist zwischen der Faser und Kapillare gelassen werden, da letztere ± 10 um Variationen im Durchmesser enthalten. Siehe Abbildung 1 für eine Darstellung. Dieses Papier wird das experimentelle Verfahren beschreiben FBGs auf diese Weise zu schreiben, und Beispiele für die mögliche Verbesserungen liefern. Weitere Informationen finden Sie bisher veröffentlichten Simulationen ¹⁰ und experimentelle Ergebnisse ^11.

Abbildung 1. Schematische Darstellung der polierten Kapillare wie in FBG Produkt verwendetion. Die MCF ist im Inneren des Kapillarröhrchens angeordnet. Der Spalt zwischen beiden sollte klein sein, aber für kleine Variationen im Durchmesser ermöglichen. Das UV - Licht , das durch die Phasenmaske passiert hat , tritt dann in das System durch die flache Seite des Kapillarrohrs. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Protokoll

1. Herstellung von Poliert Kapillarröhrchen (ANFF OptoFab)

1. Erhalten Glaskapillarröhren mit Innendurchmesser eng abgestimmt auf Faserdurchmesser. Je näher sich in Größe, desto besser ist die Leistung, aber sicherzustellen, dass eine ± 10 & mgr; m Variation in Kapillargröße für zulässig. Entfernen Sie alle Schutzschichten aus den Kapillaren. Abrasieren Beschichtungen mit einer Rasierklinge, sie zu entfernen, ohne die Rohre zu beschädigen.
2. Verjüngen sich die Kapillarröhrchen auf einen kleineren Durchmesser, falls erforderlich. Verwenden Sie eine computergesteuerte Maschine automatische Verjüngungs falls vorhanden.
   1. Sichern eine Rohrlänge mit Klammern an jedem Ende.
   2. Erhitzen Sie die Kapillare Punkt gleichmäßig um seinen Durchmesser zu Schmelzen eines Hot-Filament mit zwischen den Klammern befindet.
   3. Zeichnen Sie die Kapillare durch das Heizelement mit einer konstanten Spannung, bis die gewünschte Länge zu einem kleineren Durchmesser verjüngt ist.
3. Schneiden Sie die Kapillare in ungefähr gleiche Längen with eine Glasschneidewerkzeug. Sicherzustellen, dass diese mindestens 2 cm länger als die Gitterlänge bestimmt, aber klein genug, um innerhalb der Polierausrüstung verwendet zu passen. HINWEIS: Für dieses Experiment wurde eine Kapillarlänge von 7 cm verwendet wurde.
4. Bringen 8-10 der Kapillarleitungslängen zu einem Glas Puck UV-härtbaren Klebstoff verwendet wird. Installieren Sie den Puck auf eine Spannvorrichtung kompatibel mit dem Plätschern / Poliermaschine.
5. Verwenden Sie das Plätschern / Poliermaschine die freiliegenden Wände der Kapillaren auf einer ebenen Fläche zu schleifen. ACHTUNG: nicht einatmen lose Splitt. Hinweis: Das Schleifelement ist Al ₂ O ₃ in einer Suspension von Umkehrosmose gereinigtes Wasser.
   1. Verwenden 25 um grit, bis die verbleibende Dicke der Kapillarwand etwa 70 um beträgt. Verwenden eines Mikrometers die Verschiebung der Spannvorrichtung zu messen, während des Schleifens und somit die Menge, die entfernt worden ist.
   2. Schalter bis 5 um grit und schleifen, bis die verbleibende Dicke der Wand etwa 50 um beträgt.
6. Verwenden Sie das Läppen / Polieren Maschine die abgeflachte Oberfläche für mindestens 3 h mit hochreinem kolloidales Siliciumdioxid in alkalischen Dispersion (NaOH) zu polieren. Hinweis: Diese stellt die Oberfläche optischer Qualität. Die Kieselsäure kann eine Verfestigung durch Zugabe von 1 Teil 0,004 M NaOH auf 3 Teile Polieren Lösung verhindert werden.
7. Trennen Sie die Kapillaren von der Halte Puck über Nacht in Aceton Einweichen.
8. Untersuchen Sie die Kapillaren an beiden Enden unter einem Mikroskop mit 10-facher Vergrößerung der Wandstärke zu überprüfen. Hinweis: Eine gute Qualität Kapillare, die eine gleichmäßige dünne (~ 50 & mgr; m) Wand entlang ihrer Länge haben.

2. Schaffung von Roste

1. Hydrieren die MCF Lichtempfindlichkeit zu erhöhen.
   1. Legen Sie die Fasern hydriert in einem versiegelten luftdichten Kammer zu werden. ACHTUNG: Sicherstellen, dass die Kammer sicher aufgrund der Anwesenheit von Druckgasen verschraubt.
   2. Pumpe hoher Reinheit H ₂ in die Kammer. Verwenden N ₂ Gas als Booster Druck zu erhöhen.
   3. Lassen Sie die Fasern im Inneren der Kammer für einen längeren Zeitraum: 2 Wochen bei 300 bar und Raumtemperatur, oder 3 Tage bei 380 bar und 80 ° C.
   4. Entlüftungs die Gase aus der Kammer zu entfernen und die Fasern. ACHTUNG: Achten Sie darauf, den Raum gut belüftet ist. Gase können als Erstickungsgase oder Brandgefahr im Falle von H ₂ handeln.
   5. Halten der Fasern in einem Gefriergerät mit der Temperatur -70 ° C oder darunter, bis sie verwendet werden. Dies verlangsamt die Geschwindigkeit der Wasserstoff Ausgasen und bewahrt die erhöhte Lichtempfindlichkeit.
2. Isolieren Sie die Schutzschicht von der MCF. Streifen MCFs die gleiche Größe wie SMFs mit einem Standard-stripper SMF-Faser; sonst die Beschichtung mit einer Rasierklinge rasieren. Entfernen der Beschichtung von dem Bereich, wo das Gitter geschrieben werden soll, den ganzen Weg bis zum Ende der Faser.
3. Führen Sie das abisolierte Ende der Faser in das Kapillarrohr und schieben Sie das Rohr entlang der Faser, so dass sie die Region bedeckt zu b e bezeichnet.
4. Setzen Sie auf UV-Schutzbrille. Montieren Sie die Faser auf der beweglichen Bühne, die die Phasenmaske, mit der flachen Seite des Kapillarrohrs abgewinkelt in Richtung der Phasenmaske hält. Sicherstellen, dass die Faser innerhalb des Interferenzmusters von der Maske erzeugt positioniert ist, jedoch nicht die Maske berührt selbst, da dies zu Beschädigungen führen kann.
5. Ausrichten der 244 nm-Laser, so dass der Strahl senkrecht zu der flachen Oberfläche der Phasenmaske ist. Stellen Sie sicher, dass die Faser mindestens 90 mW Laserleistung erhält.
6. Belichten eine 4 cm Länge der Faser mit dem UV-Interferenzmuster, das durch die Faser und der Phasenmaske mit Bezug auf den einfallenden Strahl mit einer Geschwindigkeit von 0,25 mm / min bewegt.
7. Entfernen Sie die Kapillare aus der Faser.
8. Tempern das Gitter bei 110 ° C für 20 h die Wellenlängenantwort zu stabilisieren. Anmerkung: Dieser Schritt ist optional, da das Gitter selbst im Laufe von etwa 3 Tage zu stabilisieren, aber Annealing macht das Verfahren schneller.

e_title "> 3. Die Analyse der Spektren

1. Spalten beide Enden der Faser. Verwenden Sie eine Faser-Spalter, die der Benutzer beide Faserdurchmesser einstellen können und Spannung eine flache Stirnfläche zu gewährleisten.
2. Ausleuchten einem Ende der Faser einen abstimmbaren Laser mit einer Zentralwellenlänge etwa abgestimmt auf die Bragg-Wellenlänge verwendet wird.
3. Schließen Sie eine CCD-Kamera an einen PC mit Steuersoftware anzuzeigen und die Faserausgang aufzuzeichnen. Bild der Faserausgang mit der CCD-Kamera, eine Mikroskopobjektivlinse mit 50-facher Vergrößerung vor der Kamera, um sicherzustellen, dass alle Kerne mehrere CCD-Pixel abzudecken. Hinweis: Die folgenden Schritte 3.4.1 - 3.5.5 sind spezifisch für die kundenspezifische Software, die von den Autoren verwendet und stellen nur eine Methode von Spektren zu erfassen.
   1. Wählen Sie ein kreisförmiger Bereich von Pixeln jedes Kerns entspricht, der durch Klicken auf den Zentren der Kerne, wie sie in dem Bild in der Steuersoftware angezeigt. Geben Sie den Durchmesser der Kerne in Einheiten von Pixeln in der 'Länge oder Durchmesser u# 39; Feld.
   2. Notieren Sie sich die Pixelwerte von der Kamera für die ausgewählten Regionen registriert. Zusammengefasst, die Werte für alle Pixel einen gegebenen Kern für den Gesamtdurchsatz bei dieser Wellenlänge zu quantifizieren.
4. Schließen Sie den abstimmbaren Laser auf dem Steuerungs-PC, so dass Beobachtungen und Datenerfassung kann automatisiert werden.
   1. Geben Sie eine Wellenlänge ungefähr 5 nm unterhalb der Bragg-Wellenlänge in der 'Start Wavelength' Feld.
   2. Stellen Sie die Wellenlänge Schritt des Lasers auf 0,01 nm im 'Scan - Step' Feld. Hinweis: die Verzögerung zwischen den Schritten zu mindestens 300 msec, so daß die Laserwirkung bei jeder Wellenlänge stabil ist, bevor die Messungen aufgezeichnet werden und der nächste Schritt Wellenlänge auftritt.
   3. Geben Sie eine Wellenlänge ungefähr 5 nm größer als die Bragg-Wellenlänge in der 'End Wellenlänge' Feld.
   4. Klicken Sie auf die 'Automatische Scan', um den Laser auf die definierten Start Wellenlänge zu setzen und die Wellenlänge durch die gewählte Zuwachs bei regel erhöhenlar Zeitintervallen.
   5. Notieren Sie sich die Intensität durch jeden Kern für jede Wellenlänge Schritt übertragen. Exportieren Sie die berechneten Werte in einer Textdatei durch Aktivieren der "Textdatei speichern 'Option.
5. Wiederholen Sie den Scan mindestens 3-mal und der Mittelwert der Daten aus allen Läufen.
6. Plot Leistung in Abhängigkeit von der Wellenlänge übertragen für jeden Kern eine Reihe von Spektren zu erzeugen.
   1. Vergleichen Sie die Spektren aller Kerne zu bestätigen, ob sie die gleichen Unterdrückungseigenschaften haben. Überprüfen Sie, ob die zentrale Wellenlänge, die Tiefe und Bandbreite jedes Gitter Spiel.

Ergebnisse

Die Wirksamkeit dieser Technik ist am besten gezeigt , indem man die mehradrige Faser - Bragg - Gitter Vergleichen (MCFBGs) , die von der Exposition führen mit und ohne die Kapillare. 2 zeigt die Transmissionseigenschaften eines 7adrig MCF mit dem Standardverfahren für SMFs ausgesetzt, mit individuellen Kernspektren, die durch unterschiedliche Farben dargestellt. Es gibt eine minimale Überlappung zwischen den unterdrückt Wellenlängen und Kern # 5 hat schwächere Belichtun...

Diskussion

Figuren 2 und 3 zusammen zeigen , dass die polierte Kapillarrohr einzuführen (PCT) , wenn das Schreiben Gitter ausreicht, um die Einheitlichkeit der Kernspektren im MCFBG zu verbessern. Der Rest der Inschrift Prozess ist weitgehend unverändert gegenüber etablierten Methoden für die Erstellung von SMF-Gittern und kann mit den meisten bestehenden FBG Schriftsysteme verwendet werden. Daher ist die Herstellung von PCTs, wie in Abschnitt 2 des Protokolls skizzierte am kritischsten für MCFBG ...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Multicore-Faser	Fujikura Ltd.		7 Kerne mit Durchmesser 5,5  &Mikro; m, Kerntrennung 35  &Mikro; m, hexagonal angeordnet innerhalb von 125 &μ; m Verkleidung, NA = 0,177
Glaskegelmaschine	Vytran	GPX-3000
UV-Laser	Coherent	300 FreD Innova	Frequenz verdoppelt 244  nm, mindestens 150 mW Ausgangsleistung. ACHTUNG: Augenschäden; Tragen Sie eine geeignete Schutzbrille
Phasenmaske	Lasiris	PM-244-1069.50-50.8	Benutzerdefinierte Komponente, 1069,50 nm Gitterperiode, 5,08 mm Dicke
Kapillarrohre	Polymicro	TSP200794	Innendurchmesser 200 & Mikro; m, Außendurchmesser 794 µ m
Läppmaschine	Logitech	PM5	Kombischleifer/Polierer
UV-härtender Kleber	Norland	NOA-61	Härtet schnell aus, entfernbar mit Aceton
Microgrit	Eminess		Al2O3: 25 µ M und 5 &Micro; m Partikelgröße
Polierflüssigkeit	Eminess	ULTRA-SOL 500S	SF-500S-5, ULTRA-SOL 500S N/D, 5 GAL
Natriumhydroxid			0,004  M
Faserspalter	Vytran	LDC-400
Abstimmbarer Laser	JDS Einphasen	SWS15101
IR-Kamera	Xenics	XEVA-1429	320x256 Pixel, 16 Bit Auflösung
Ofen	Thermoline Scientific	LDO-030N	Zum Glühen bei T = 110  ° C
Wasserstoffgas	BOC		Zum Hydrieren von Fasern. ACHTUNG: brennbares, unter Druck stehendes
Gas Stickstoffgas	BOC		Booster zur Hydrierung. ACHTUNG:
Aceton-Rasierklingen

- mit Druckgas