Nous décrivons une technique permettant d’inscrire des réseaux de Bragg de fibre identiques dans chaque cœur d’une fibre multiconducteur. Ceci est réalisé en introduisant une surface supplémentaire dans le chemin optique pour atténuer la lentille par la surface incurvée de la gaine de fibre.
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Article de méthode
Rédaction de Bragg dans les fibres multipaires
Dans cet article
Résumé
Résumé
Les réseaux de Bragg en fibres multiconducteurs peuvent être utilisés comme filtres compacts et robustes dans l’astronomie et d’autres applications de recherche et commerciales. Une forte suppression à une seule longueur d’onde nécessite que tous les cœurs aient des profils de transmission correspondants. Ces réseaux ne peuvent pas être inscrits de la même manière que pour les fibres monocœurs car la surface incurvée de la gaine agit comme une lentille, concentrant le faisceau laser UV entrant et provoquant des variations d’exposition entre les noyaux. Par conséquent, nous utilisons un élément optique supplémentaire pour nous assurer que la forme du faisceau ne change pas lors du passage à travers la section transversale de la fibre multicœur. Il s’agit d’un tube capillaire en verre qui a été poli à plat sur une face, qui est ensuite placé sur la section de la fibre à inscrire. Le faisceau laser pénètre dans la fibre par la surface plane du tube capillaire et conserve ainsi ses dimensions d’origine. Cet article démontre les améliorations de l’uniformité d’un cœur à l’autre pour une fibre à 7 cœurs en utilisant cette méthode. La technique peut être généralisée à des fibres multicœurs plus grandes.
Introduction
Réseaux de Bragg sur fibre (FBG) de sont largement utilisés comme filtres à bande étroite en raison du fait qu'ils peuvent être personnalisés pour un grand nombre d'applications 1. Ils ne sont pas limités à la suppression des longueurs d'onde individuelles; Les spectres de transmission complexe peut être réalisé par l'utilisation de apériodiques des variations d'indice de réfraction 2. Une limitation est que les FBG ne peuvent être inscrites dans des fibres monomodes (SMF), car la longueur d'onde qui est supprimée pendant une période de réseau donnée dépend de la constante de propagation. Dans une fibre multimode (MMF), dans lequel chaque mode présente une constante de propagation différente, la longueur d'onde supprimée pour chaque mode est différent et par conséquent, le réseau ne donne pas une suppression forte à toute longueur d'onde unique.
L'impulsion de cette expérience provient de l'astronomie. Lorsque la visibilité est limitée, le couplage direct dans un SMF est difficile et inefficace; optique adaptative extrêmes sont tenus de le faire 3. À cause de cela, FMM sont typmatiquement utilisé lors de la collecte de lumière du plan focal du télescope 4. Par conséquent, afin de maintenir la fonctionnalité disponible uniquement pour les fichiers SMF, il est nécessaire d'avoir une conversion efficace entre SMF et FMM. Ceci est rendu possible avec la lanterne photonique, un dispositif qui se compose d'un port multimode connecté à un réseau de SMF via une transition conique 5. Lanternes photoniques ont été utilisés dans l'instrument GNOSIS, dans lequel le contenu SMF FBG pour éliminer les raies d'émission atmosphériques (causés par les radicaux OH et d' autres molécules) à partir d' observations dans le proche infrarouge 6. Les inconvénients de l'utilisation individuels, SMF single-core pour cette tâche sont qu'ils doivent être écrites une par une et épissés individuellement dans le train optique, ce qui nécessite beaucoup de temps et d'effort manuel. La technique décrite dans cet article tente de remédier à ces lacunes en utilisant un format de fibre plus complexe pour fournir la fonctionnalité monomode.
La prochaine génération OH supprinstrument ession PRAXIS 7 fera usage de fibres multi-core (MCF). Ces fibres contiennent un nombre quelconque de noyaux simples-moded noyées dans une seule gaine. L'avantage de cette approche est que le MCF peut être effilé dans un MMF avec la lanterne photonique résultante étant une unité autonome compacte et robuste. Dans l'instrument terminé, la lumière du télescope sera couplé au port MMF de la lanterne; la transition conique va séparer cette lumière dans les noyaux monomodes où il passera par le FBG. Après la longueur d'onde de filtrage de la lumière restante est dispersée sur un détecteur, les spectres recueillis.
Utilisation de MCF accélère également le processus de réseaux d'écriture, comme tous les noyaux peuvent être inscrits en une seule passe. Cependant, le processus d'écriture doit être modifiée afin de faire en sorte que tous les noyaux ont les mêmes caractéristiques de réflexion. En effet, la surface incurvée de la gaine agit comme une lentille en face d'écriture des FBG res,Ulting dans un domaine UV qui varie en puissance et la direction au niveau de chaque noyau latéral si la méthode d'écriture standard est utilisée. Ainsi , chaque noyau aura un profil de transmission différent, et la fibre ne fournira pas une forte répression à une seule longueur d' onde 8.
Un groupe au Naval Research Laboratory a expérimenté avec la modification de la distribution et de la photosensibilité des noyaux d'annuler les effets de cette variation 9. L'inconvénient d'utiliser une telle approche est que la fibre doit être repensé pour chaque combinaison de la taille de la gaine, la taille de base, le nombre de noyaux et la composition chimique. En outre, l'absence de symétrie axiale dans les plans résultants signifie que le MCF ne peut être efficacement effilée dans une MMF avec un noyau circulaire. Cet article détaille une approche différente du problème: modifier le champ dans la fibre en la faisant passer à travers une surface plane au lieu d'être directement incident sur le dallage. En utilisant cette approche se traduit par unetechnique qui est transférable à une variété de modèles et de tailles MCF, en particulier les fibres axialement symétriques que nous souhaitons intégrer dans des lanternes photoniques.
Pour créer la surface plane nécessaire, le MCF est placé à l'intérieur d'un tube capillaire transparent aux UV qui a été broyé et poli sur un côté pour donner une paroi extérieure plane. Un petit espace doit être laissé entre la fibre et le capillaire, étant donné que celui-ci peut contenir ± 10 um variations de diamètre. Voir la Figure 1 pour une représentation. Le présent document décrit la procédure expérimentale pour écrire FBG de cette manière et de fournir des exemples des améliorations possibles. Pour plus d' informations , voir simulations publiées précédemment 10 et les résultats expérimentaux 11.
Figure 1. Schéma du tube capillaire poli tel qu'il est utilisé dans le produit FBGions. Le MCF est placé à l' intérieur du tube capillaire. L'écart entre les deux devrait être faible, mais permettre à de petites variations de diamètre. La lumière UV qui est passé à travers le masque de phase entre alors dans le système par le côté plat du tube capillaire. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.
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Protocole
1. Préparation du poli Capillaire Tubes (ANFF OptoFab)
- Obtenir des tubes capillaires en verre ayant un diamètre interne étroitement adapté au diamètre de la fibre. Le plus proche de la taille, meilleure est la performance, mais veiller à ce qu'une variation de ± 10 um de dimension capillaire est autorisée pour. Retirez tous les revêtements protecteurs des tubes capillaires. Raser les revêtements avec une lame de rasoir pour les enlever sans endommager les tubes.
- Effiler les tubes capillaires d'un diamètre plus petit si nécessaire. Utiliser une machine de biseautage automatique commandé par ordinateur, si disponible.
- Fixer une longueur de tube avec des brides à chaque extrémité.
- Chauffer le capillaire à point de fusion uniformément autour de son diamètre à l'aide d'un filament chaud situé entre les pinces.
- Tirer le tube capillaire à travers l'élément chauffant avec une tension constante jusqu'à ce que la longueur souhaitée a été effilée à un diamètre plus petit.
- Couper le tube capillaire en wi longueurs approximativement égalesth un outil de coupe de verre. Assurez-vous que ce sont au moins 2 cm de plus que la longueur du réseau prévu, mais assez petit pour tenir dans l'équipement de polissage utilisé. Remarque: Pour cette expérience, une longueur de capillaire de 7 cm a été utilisé.
- Fixer 8-10 des longueurs de capillaires à une rondelle de verre avec de la colle à séchage UV. Installer la rondelle sur un gabarit compatible avec la machine de rodage / polissage.
- Utilisez la machine de rodage / polissage pour broyer les parois exposées des tubes capillaires sur une surface plane. ATTENTION: Ne pas inhaler les graviers. Remarque: L'élément abrasif est Al 2 O 3 dans une suspension d'eau purifiée par osmose inverse.
- Utiliser 25 um grain jusqu'à ce que l'épaisseur restante de la paroi du capillaire est d'environ 70 um. Utiliser un micromètre pour mesurer le déplacement du gabarit pendant le broyage et donc la quantité qui a été enlevée.
- Passez à 5 pm grain et broyer jusqu'à ce que l'épaisseur restante de la paroi est d'environ 50 um.
- Utilisez le clapotis / machine de polissage pour polir la surface aplatie pendant au moins 3 h avec de haute pureté de la silice colloïdale en dispersion alcaline (NaOH). Note: Ceci restaure la surface à la qualité optique. La silice peut être empêchée de se solidifier en ajoutant 1 partie NaOH 0,004 à 3 parties de solution de polissage.
- Séparer les tubes capillaires de la rondelle de maintien par trempage pendant une nuit dans de l'acétone.
- Examiner les tubes capillaires aux deux extrémités sous un microscope avec un grossissement de 10X pour vérifier l'épaisseur de paroi. Note: Un bon capillaire de qualité aura une mince (~ 50 um) paroi uniforme le long de sa longueur.
2. Création de caillebotis
- Hydrogéner le MCF pour augmenter la photosensibilité.
- Placer les fibres à hydrogéner dans une chambre étanche à l'air scellé. ATTENTION: Veiller à la chambre est solidement boulonné en raison de la présence de gaz sous pression.
- Pompe haute pureté H 2 dans la chambre. L' utilisation de N 2 gaz comme un booster pour augmenter la pression.
- Laissez les fibres à l'intérieur de la chambre pendant une période prolongée: 2 semaines à 300 bars et la température ambiante, ou 3 jours à 380 bars et 80 ° C.
- Purger les gaz de la chambre et enlever les fibres. ATTENTION: Vérifiez que la pièce est bien ventilée. Les gaz peuvent agir comme asphyxiants, ou risque d'incendie dans le cas de H 2.
- Maintenir les fibres dans un congélateur à la température de -70 ° C ou moins jusqu'à ce qu'ils soient utilisés. Cela ralentit le taux de dégazage d'hydrogène et préserve la photosensibilité accrue.
- Dénuder le revêtement protecteur du MCF. Strip MCF la même taille que SMF avec un décapant de fibre SMF norme; sinon raser le revêtement avec une lame de rasoir. Retirer le revêtement de la région où le réseau doit être écrit, tout le chemin jusqu'à l'extrémité de la fibre.
- Insérer l'extrémité dénudée de la fibre dans le tube capillaire, le tube et le faire glisser le long de la fibre de sorte qu'elle recouvre la région de b e inscrit.
- Mettez anti-UV lunettes. Monter la fibre sur la platine mobile qui maintient le masque de phase, avec le côté plat du tube capillaire incliné vers le masque de phase. Veiller à la fibre est positionnée dans le motif d'interférence créée par le masque, mais ne pas toucher le masque lui-même, car cela pourrait causer des dommages.
- Aligner le laser à 244 nm de telle sorte que le faisceau soit perpendiculaire à la surface plane du masque de phase. Assurez-vous que la fibre reçoit au moins 90 mW de puissance laser.
- Exposer une longueur de 4 cm de la fibre pour le motif d'interférence UV en déplaçant la fibre et la phase ainsi que le masque par rapport au faisceau entrant à une vitesse de 0,25 mm / min.
- Retirer le tube capillaire de la fibre.
- Recuire le réseau de diffraction à 110 ° C pendant 20 heures afin de stabiliser la réponse en longueur d'onde. Remarque: Cette étape est facultative que le réseau va se stabiliser par lui-même au cours d'environ trois jours, mais le recuit rend le processus plus rapide.
- Cliver les deux extrémités de la fibre. Utiliser un hachoir de fibres qui permet à l'utilisateur de régler à la fois le diamètre des fibres et de tension pour assurer une surface d'extrémité plane.
- Illuminer une extrémité de la fibre en utilisant un laser accordable avec une longueur d'onde centrale sensiblement adaptée à la longueur d'onde de Bragg.
- Branchez une caméra CCD à un PC avec le logiciel de commande pour afficher et enregistrer la sortie de la fibre. L'image de la sortie de la fibre avec la caméra CCD, en utilisant un objectif de microscope avec un grossissement de 50X en face de la caméra pour faire en sorte que tous les noyaux recouvrent plusieurs pixels CCD. Remarque: Les étapes suivantes 3.4.1 - 3.5.5 sont spécifiques au logiciel personnalisé utilisé par les auteurs et ne représentent qu'un procédé de capture de spectres.
- Sélectionnez une région circulaire de pixels correspondant à chaque noyau en cliquant sur les centres de noyaux tels qu'ils apparaissent dans l'image dans le logiciel de contrôle. Entrez le diamètre des noyaux en unités de pixels dans la 'Longueur ou diamètre &# 39; champ.
- Enregistrer les valeurs de pixel enregistrées par la caméra pour les régions sélectionnées. Additionner les valeurs de tous les pixels couvrant un noyau donné pour quantifier le débit total à cette longueur d'onde.
- Connectez le laser accordable à la commande PC de sorte que les observations et la collecte de données peuvent être automatisées.
- Entrez une longueur d'onde d'environ 5 nm en dessous de la longueur d'onde de Bragg dans le champ 'Start Wavelength'.
- Régler l'incrément de longueur d'onde du laser à 0,01 nm dans le «Scan - Step 'champ. Remarque: Définissez le délai entre les étapes d'au moins 300 msec pour que lasing est stable à chaque longueur d'onde avant que les mesures sont enregistrées et l'étape de longueur d'onde suivante se produit.
- Entrez une longueur d'onde d'environ 5 nm supérieure à la longueur d'onde de Bragg dans le champ «Fin Wavelength».
- Cliquez sur le bouton «Scan automatique» pour régler le laser à la longueur d'onde de début définie et augmenter la longueur d'onde par l'incrément choisi au rèintervalles de temps lar.
- Enregistrez l'intensité transmise par chaque noyau pour chaque étape de longueur d'onde. Exporter les valeurs calculées à un fichier texte en activant l'option "Enregistrer le fichier texte.
- Répétez l'analyse au moins 3 fois et la moyenne des données de toutes les pistes.
- Plot puissance transmise par rapport longueur d'onde pour chaque noyau pour générer un ensemble de spectres.
- Comparer les spectres de tous les cœurs pour confirmer si elles ont les mêmes caractéristiques de suppression. Vérifiez que la longueur d'onde centrale, la profondeur et la largeur de bande de chaque match réseau.
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Résultats
L'efficacité de cette technique est le mieux démontré en comparant les réseaux de Bragg à fibre multicoeur (MCFBGs) qui résultent de l' exposition avec et sans le capillaire. La figure 2 montre les caractéristiques de transmission d'un 7-core MCF exposée en utilisant la méthode standard pour SMF, avec personne spectres de base représentés par des couleurs différentes. Il y a un chevauchement minimal entre les longueurs d'onde supprimées, et le noyau # 5 a...
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Discussion
Les figures 2 et 3 montrent en même temps que l' introduction du tube capillaire polie (PCT) lors de l' écriture des réseaux est suffisante pour améliorer l'uniformité des spectres de base dans le MCFBG. Le reste du processus d'inscription est en grande partie inchangé par rapport à des méthodes établies pour la création de réseaux de SMF et peut être utilisé avec la plupart des systèmes existants d'écriture FBG. D'où la préparation des PCT comme indiqué dans l&#...
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Déclarations de divulgation
Les auteurs déclarent qu’ils n’ont pas d’intérêts financiers concurrents.
Remerciements
Les laboratoires SAIL sont financés par la bourse Australian Laureate de JBH du Conseil australien de la recherche.
Cette recherche a été soutenue par le Centre d’excellence du Conseil australien de la recherche pour les dispositifs à très large bande passante pour les systèmes optiques (numéro de projet CE110001018).
Le travail expérimental a été effectué en partie au nœud OptoFab de l’Australian National Fabrication Facility, en utilisant le financement du NCRIS et du gouvernement de l’État de Nouvelle-Galles du Sud. Les services d’hydrogénation de la fibre ont été fournis par TE Connectivity à Redfern. SLS tient à remercier le Laboratoire d’optique et d’électronique de Fujikura Ltd, au Japon, pour la fourniture de la fibre à 7 cœurs utilisée dans cette expérience.
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Matériaux
| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| Fibre multicœur | Fujikura Ltd. | 7 noyaux de diamètre 5,5 ; et micro ; m, séparation du noyau 35 ; et micro ; m, disposé hexagonalement en 125 & micro ; m bardage, NA = 0,177 | |
| Machine à effiler le verre | Vytran | GPX-3000 | |
| Laser UV | Cohérent | 300 FreD Innova | Fréquence doublée 244 ; nm, sortie d’au moins 150 mW. ATTENTION : lésions oculaires ; porter des lunettes appropriées Masque |
| phase | Lasiris | PM-244-1069.50-50.8 | Composant personnalisé, période de réseau 1069.50 nm, épaisseur 5,08 mm |
| Tubes capillaires | Polymicro | TSP200794 | Diamètre intérieur 200 µ ; m, diamètre extérieur 794 µ ; m |
| Machine à roder | Logitech | PM5 | Combinaison meuleuse/polisseuse |
| Colle à durcissement UV | Norland | NOA-61 | Durcit rapidement, s’enlève à l’acétone |
| Microgrit | Eminess | Al2O3 : 25 µ ; M et 5 & micro ; m granulométrie | |
| Fluide de polissage | Eminess | ULTRA-SOL 500S | SF-500S-5, ULTRA-SOL 500S N/D, 5 GAL |
| Hydroxyde de | 0,004 ; M | ||
| Fiber cleaver | Vytran | LDC-400 | |
| Laser accordable | JDS Uniphase | SWS15101 | |
| Caméra IR | Xenics | XEVA-1429 | 320x256 pixels, résolution 16 bits |
| Four | Thermoline Scientific | LDO-030N | Pour recuit à T = 110 ; ° ; C |
| Gaz hydrogène | BOC | Pour l’hydrogénation de la fibre. ATTENTION : gaz inflammable, sous pression | |
| Azote gazeux | BOC | Booster pour l’hydrogénation. ATTENTION : lames | |
| de rasoir | |||
| acétone |
Références
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Réimpressions et autorisations
