Scrivendo di Bragg in fibra Multicore

Sommario

Descriviamo una tecnica per inscrivere reticoli di Bragg in fibra identica in ogni nucleo di una fibra multicore. Ciò si ottiene introducendo una superficie aggiuntiva nel percorso ottico per mitigare la lente dovuta alla superficie curva del rivestimento in fibra.

Abstract

I reticoli in fibra di Bragg in fibre multicore possono essere utilizzati come filtri compatti e robusti in applicazioni astronomiche e altre applicazioni di ricerca e commerciali. Una forte soppressione a una singola lunghezza d'onda richiede che tutti i core abbiano profili di trasmissione corrispondenti. Questi reticoli non possono essere inscritti con lo stesso metodo delle fibre unipolari perché la superficie curva del rivestimento funge da lente, focalizzando il raggio laser UV in entrata e causando variazioni nell'esposizione tra i nuclei. Pertanto, utilizziamo un elemento ottico aggiuntivo per garantire che la forma del fascio non cambi durante il passaggio attraverso la sezione trasversale della fibra multicore. Questo è costituito da un tubo capillare di vetro che è stato lucidato su un lato, che viene poi posizionato sopra la sezione della fibra da inscrivere. Il raggio laser entra nella fibra attraverso la superficie piana del tubo capillare e quindi mantiene le sue dimensioni originali. Questo documento dimostra i miglioramenti nell'uniformità core-to-core per una fibra a 7 core utilizzando questo metodo. La tecnica può essere generalizzata a fibre multicore più grandi.

Introduzione

Reticoli di Bragg (FBG) sono ampiamente utilizzati come filtri a banda stretta per il fatto che possono essere personalizzati per un gran numero di applicazioni ^1. Essi non sono limitati a sopprimere singole lunghezze d'onda; spettri di trasmissione complessa può essere creata mediante l'uso di aperiodici variazioni di indice di rifrazione ^2. Una limitazione è che FBGs possono essere incise soltanto in fibre monomodali (SMF), come la lunghezza d'onda che viene soppressa per un determinato periodo di reticolo dipende dalla costante di propagazione. In una fibra multimodale (MMF), dove ogni modalità ha una diversa costante di propagazione, la lunghezza d'onda soppresso per ciascuna modalità è diversa e quindi il reticolo non dà soppressione forte in ogni singola lunghezza d'onda.

L'impulso per questo esperimento viene da astronomia. In condizioni di limitata, accoppiamento diretto in un SMF è difficile e inefficiente; ottica adattiva estremi sono tenuti a farlo ^3. A causa di questo, FMM sono tipcamente usato al momento del ritiro luce dal telescopio piano focale ^4. Pertanto al fine di mantenere la funzionalità disponibile solo per SMF, è necessario disporre di conversione efficiente tra SMF e FMM. Ciò è reso possibile con la lanterna fotonica, un dispositivo che consiste di una porta multimode collegato ad una serie di SMF tramite una transizione conicità ^5. Lanterne fotonici sono stati utilizzati nello strumento GNOSIS, in cui il SMFs conteneva FBGs per rimuovere le linee di emissione in atmosfera (causati dai radicali OH e altre molecole) da osservazioni nel vicino infrarosso ^6. Gli svantaggi di utilizzare singolarmente, SMF single-core per questo compito sono che devono essere scritti uno per uno e assemblati singolarmente nel treno ottico, che richiede molto tempo e sforzo manuale. La tecnica descritta in questo articolo tenta di risolvere questi inconvenienti utilizzando un formato fibra più complesso per fornire la funzionalità monomodale.

Il suppr OH prossima generazionestrumento ESSIONE PRAXIS ⁷ farà uso di fibre multi-core (mcfs). Queste fibre contengono un numero qualsiasi di core singolo moded incorporati in un unico rivestimento. Il vantaggio di questo approccio è che il MCF può essere rastremato in un MMF con la lanterna fotonico risultante essere un'unità autonoma compatta e robusta. Nello strumento completata, la luce dal telescopio sarà accoppiato alla porta MMF della lanterna; la transizione cono separerà questa luce nei nuclei monomodali dove passerà attraverso il FBG. Dopo la lunghezza d'onda filtrando la luce rimanente viene dispersa su un rilevatore, gli spettri raccolti.

Utilizzando mcfs accelera il processo di scrittura di reticoli, come tutti i core possono essere iscritti in un unico passaggio. Tuttavia, il processo di scrittura deve essere modificato al fine di garantire che tutti i nuclei hanno le stesse caratteristiche di riflessione. Questo perché la superficie curva del rivestimento agisce come una lente durante side-scrittura dei FBGS, resulting in un campo UV che varia in potenza e la direzione ad ogni core se viene utilizzato il metodo side-standard di scrittura. Quindi ogni core avrà un profilo di trasmissione diversa, e la fibra non fornirà soppressione forte ad una singola lunghezza d'onda ^8.

Un gruppo presso il Naval Research Laboratory ha sperimentato con la modifica della distribuzione e fotosensibilità di core per annullare gli effetti di questa variazione ^9. Lo svantaggio di usare un tale approccio è che la fibra deve essere riprogettato per ogni combinazione di dimensioni rivestimento, dimensioni del nucleo, il numero di nuclei e composizione chimica. Inoltre, la mancanza di simmetria assiale nei disegni risultanti significa che il MCF non può essere efficacemente rastremato in un MMF con un nucleo circolare. Dettagli Questo documento un diverso approccio al problema: modificare il campo entro la fibra facendolo passare attraverso una superficie piana invece di essere direttamente incidente sul rivestimento curvo. Usando questo approccio comporta unatecnica che è trasferibile ad una varietà di disegni MCF e dimensioni, in particolare le fibre assialmente simmetrica che vogliamo incorporare nella lanterne fotonici.

Per creare la superficie piana necessaria, MCF è collocato all'interno di un tubo capillare UV-trasparente che è stato macinato e levigata su un lato per dare una parete esterna piana. Un piccolo spazio deve essere lasciato tra la fibra e capillare, in quanto quest'ultimo può contenere ± 10 um variazioni di diametro. Vedere la Figura 1 per una rappresentazione. Questo documento descrive la procedura sperimentale di scrivere FBGs in questo modo e di fornire esempi dei possibili miglioramenti. Per ulteriori informazioni, vedere simulazioni precedentemente pubblicati ¹⁰ e ¹¹ risultati sperimentali.

Figura 1. Schema del tubo capillare lucido come utilizzato nel prodotto FBGion. Il MCF è collocato all'interno del tubo capillare. La distanza tra i due dovrebbe essere piccolo ma permettere piccole variazioni di diametro. La luce UV che è passato attraverso la maschera di fase poi entra nel sistema attraverso la parte piatta del tubo capillare. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Protocollo

1. Preparazione di lucido Capillari (ANFF OptoFab)

1. Ottenere tubi di vetro capillari con diametro interno strettamente allineato al diametro delle fibre. Quanto più dimensioni, migliori sono le prestazioni, ma assicura che una variazione ± 10 micron di dimensioni capillare è consentita per. Rimuovere eventuali rivestimenti protettivi dai tubi capillari. Radersi rivestimenti con una lama di rasoio per rimuoverli senza danneggiare i tubi.
2. Cono tubi capillari ad un diametro più piccolo, se necessario. Utilizzare una macchina rastremazione automatico controllato da computer, se disponibile.
   1. Fissare un pezzo di tubo con morsetti ad ogni estremità.
   2. Riscaldare il capillare al punto di fusione uniformemente attorno al suo diametro utilizzando un filamento caldo situato tra i morsetti.
   3. Disegnare il capillare attraverso l'elemento riscaldante con una tensione costante finché la lunghezza desiderata è stata rastremata al diametro più piccolo.
3. Tagliare il tubo capillare in approssimativamente uguale wi lunghezzeth un utensile da taglio di vetro. Garantire che questi siano almeno 2 cm più lungo della lunghezza reticolo previsto ma abbastanza piccolo per adattarsi all'interno della lucidatura attrezzature utilizzate. Nota: Per questo esperimento, è stata utilizzata una lunghezza capillare di 7 cm.
4. Fissare 8-10 delle lunghezze capillari ad un disco di vetro con colla a polimerizzazione UV. Installare il disco su un giga compatibile con la macchina di lappatura / lucidatura.
5. Utilizzare la macchina lappatura / lucidatura per macinare le pareti esposte dei tubi capillari ad una superficie piatta. ATTENZIONE: non inalare grinta sciolto. Nota: L'elemento abrasivo è Al ₂ O ₃ in una sospensione di acqua purificata osmosi inversa.
   1. Utilizzare 25 micron graniglia fino alla restante spessore della parete capillare è di circa 70 micron. Utilizzare un micrometro per misurare lo spostamento della maschera durante la macinazione e quindi la quantità che è stato rimosso.
   2. Passare a 5 micron graniglia e macinare fino alla restante spessore della parete è di circa 50 micron.
6. Utilizzare lo sciabordio / lucidatura macchina per lucidare la superficie appiattita per almeno 3 ore con elevata purezza silice colloidale in dispersione alcalina (NaOH). Nota: Questo ripristina la superficie di qualità ottica. La silice può essere impedito di solidificazione aggiungendo 1 parte 0.004 M NaOH per 3 parti di lucidatura soluzione.
7. Separare i tubi capillari dal puck tenendo immergendo durante la notte in acetone.
8. Esaminare i tubi capillari ai due estremi sotto un microscopio con ingrandimento 10x per controllare lo spessore della parete. Nota: Un capillare buona qualità avrà una parete sottile e uniforme (~ 50 micron) lungo la sua lunghezza.

2. Creazione di griglie

1. Idrogenare MCF per aumentare la fotosensibilità.
   1. Collocare le fibre da idrogenati in una camera stagna sigillata. ATTENZIONE: Assicurarsi che la camera è imbullonata in modo sicuro a causa della presenza di gas in pressione.
   2. Pompa alta purezza H ₂ nella camera. Usa N ₂ gas come booster per aumentare la pressione.
   3. Lasciare le fibre all'interno della camera per un periodo prolungato: 2 settimane a 300 bar e temperatura ambiente, o 3 giorni a 380 bar e 80 ° C.
   4. Vent i gas dalla camera e rimuovere le fibre. ATTENZIONE: Assicurarsi che la stanza sia ben ventilata. I gas possono agire come asfissianti o rischio di incendio in caso di H _2.
   5. Conservare le fibre in un congelatore a temperatura -70 ° C o inferiore fino a quando non vengono utilizzati. Questo rallenta il tasso di degassamento idrogeno e conserva la maggiore fotosensibilità.
2. Striscia il rivestimento protettivo dalla MCF. Striscia mcfs la stessa dimensione come SMF con una spogliarellista fibra SMF di serie; altrimenti radere il rivestimento con una lama di rasoio. Rimuovere il rivestimento dalla regione in cui il reticolo deve essere scritto, fino alla fine della fibra.
3. Inserire l'estremità spogliato della fibra nel tubo capillare, e far scorrere il tubo lungo la fibra in modo da coprire la regione a b e inscritto.
4. Indossare occhiali di protezione UV. Montare la fibra sulla fase mobile che contiene la maschera di fase, con il lato piatto del capillare inclinato verso la maschera di fase. Assicurarsi che la fibra è posizionato all'interno la figura di interferenza creato dalla maschera, ma non tocca la maschera stessa in quanto ciò potrebbe causare danni.
5. Allineare il laser 244 nm modo che il raggio sia perpendicolare alla superficie piana della maschera di fase. Assicurarsi che la fibra riceve almeno 90 mW di potenza del laser.
6. Esporre una lunghezza di 4 cm di fibra alla figura di interferenza UV spostando la maschera fibra e di fase insieme rispetto al fascio in ingresso ad una velocità di 0,25 mm / min.
7. Rimuovere il capillare dalla fibra.
8. Ricuocere la griglia a 110 ° C per 20 ore per stabilizzare la risposta lunghezza d'onda. Nota: questo passaggio è facoltativo come il reticolo si stabilizzerà da solo nel corso di circa tre giorni, ma ricottura rende il processo più veloce.

e_title "> 3. Analisi di Spectra

1. Cleave entrambe le estremità della fibra. Utilizzare una mannaia fibra che consente all'utente di impostare sia diametro delle fibre e la tensione di garantire una superficie piana.
2. Illuminare una estremità della fibra utilizzando un laser sintonizzabile con lunghezza d'onda centrale di circa adattato alla lunghezza d'onda di Bragg.
3. Collegare una telecamera CCD ad un PC con software di controllo per visualizzare e registrare l'uscita della fibra. Immagine l'uscita della fibra con la camera CCD, con una lente obiettivo microscopio con 50X di ingrandimento davanti alla macchina fotografica per assicurare che tutti i core coprono più pixel del CCD. Nota: I seguenti passaggi 3.4.1 - 3.5.5 sono specifici per il software personalizzato utilizzato dagli autori e rappresentano solo un metodo di cattura spettri.
   1. Selezionare una regione circolare di pixel corrispondenti a ciascun core cliccando sui centri di core come appaiono nell'immagine nel software di controllo. Inserire il diametro delle anime in unità di pixel nel 'intera o diametro &# 39; campo.
   2. Registrare i valori dei pixel registrati dalla fotocamera per le regioni selezionate. Sommare i valori per tutti i pixel che coprono un dato di base per quantificare il rendimento totale a quella lunghezza d'onda.
4. Collegare il laser sintonizzabile al PC di controllo in modo che osservazioni e raccolta di dati possono essere automatizzati.
   1. Inserire una lunghezza d'onda di circa 5 nm al di sotto della lunghezza d'onda di Bragg in campo 'Start lunghezza d'onda'.
   2. Impostare l'incremento di lunghezza d'onda del laser a 0,01 nm nel 'Scan - Step' campo. Nota: Impostare il ritardo tra i passaggi di almeno 300 msec in modo che lasing è stabile a ogni lunghezza d'onda prima di misurazioni sono registrati e il passo successivo di lunghezza d'onda si verifica.
   3. Inserire una lunghezza d'onda di circa 5 nm superiore alla lunghezza d'onda di Bragg nel campo 'Fine Lunghezza d'onda'.
   4. Fare clic sul pulsante 'Scansione automatica' per impostare il laser alla lunghezza d'onda di inizio definito e aumentare la lunghezza d'onda per l'incremento scelto a regolaintervalli di tempo lar.
   5. Registrare l'intensità trasmessa attraverso ogni core per ogni passo lunghezza d'onda. Esportare i valori calcolati in un file di testo attivando il 'file di testo Salva' opzione.
5. Ripetere la scansione di almeno 3 volte e la media dei dati di tutte le stime.
6. Plot potenza trasmessa rispetto lunghezza d'onda per ogni core per generare un insieme di spettri.
   1. Confrontare gli spettri di tutti i conduttori per confermare se hanno le stesse caratteristiche di soppressione. Verificare che la lunghezza d'onda centrale, la profondità e la larghezza di banda di ogni partita reticolo.

Risultati

L'efficacia di questa tecnica è meglio dimostrato confrontando i reticoli in fibra multicore Bragg (MCFBGs) risultanti dall'esposizione con e senza il capillare. La Figura 2 mostra le caratteristiche di trasmissione di un 7-core MCF esposto usando il metodo standard per SMF, con singoli Gli spettri di base rappresentate da colori diversi. C'è sovrapposizione minima tra le lunghezze d'onda soppressi, e nucleo # 5 ha ricevuto l'esposizione più debole ca...

Discussione

Le figure 2 e 3 insieme mostrano che l'introduzione del tubo capillare lucido (PCT) quando si scrive reticoli è sufficiente a migliorare l'uniformità di spettri nucleo in MCFBG. Il resto del processo di iscrizione è in gran parte invariato rispetto a modalità stabilite per la creazione di griglie SMF e può essere utilizzato con la maggior parte dei sistemi di scrittura FBG esistenti. Da qui la preparazione di PCT come indicato nella sezione 2 del protocollo è più critica per mig...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Fibra multipolare	Fujikura Ltd.		7 conduttori con diametro 5,5  µ m, separazione del nucleo 35  µ m, disposti esagonalmente entro 125 µ m rivestimento, NA = 0,177
Rastrematrice per vetro	Laser UV Vytran	GPX-3000
	Coherent	300 FreD Innova	Frequenza raddoppiata 244  nm, almeno 150 mW in uscita. ATTENZIONE: danni agli occhi; indossare occhiali appropriati
Maschera di fase	Lasiris	PM-244-1069.50-50.8	Componente personalizzato, periodo di reticolo 1069,50 nm, spessore 5,08 mm
Tubi capillari	Polymicro	TSP200794	Diametro interno 200 &; m, diametro esterno 794 & micro; m
Lappatrice	Logitech	PM5	Smerigliatrice/lucidatrice combinata
Colla polimerizzabile	UV Norland	NOA-61	Polimerizza rapidamente, rimovibile con acetone
Microgrit	Eminess		Al2O3: 25 &; m e 5 µ m granulometria
Fluido lucidante	Eminess	ULTRA-SOL 500S	SF-500S-5, ULTRA-SOL 500S N/D, 5 GAL
Idrossido di			0,004  M
Mannaia per fibre	Vytran	LDC-400
Laser sintonizzabile	JDS Uniphase	SWS15101
IR Camera	Xenics	XEVA-1429	320x256 pixel, risoluzione 16 bit
Forno	Thermoline Scientific	LDO-030N	Per ricottura a T = 110  ° C
Idrogeno gassoso	BOC		Per idrogenare la fibra. ATTENZIONE: gas infiammabile e pressurizzato
Azoto gassoso	BOC		Booster per idrogenazione. ATTENZIONE: gas pressurizzato
Acetone
Lamette da

sodio barba