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방법 논문

멀티 코어 섬유에 브래그 격자를 작성

8.4K 조회수

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DOI:

10.3791/53326

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2016년 4월 20일

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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

이 논문에서

요약

우리는 다중 코어 광섬유의 각 코어에 동일한 광섬유 브래그 격자를 새기는 기술을 설명합니다. 이는 광섬유 피복의 곡면에 의한 렌즈를 완화하기 위해 광학 경로에 추가 표면을 도입함으로써 달성됩니다.

초록

Fiber Bragg 격자는 다중 코어 광섬유에서 천문학 및 기타 연구 및 상업 응용 분야에서 작고 견고한 필터로 사용할 수 있습니다. 단일 파장에서 강력한 억제를 위해서는 모든 코어가 일치하는 전송 프로파일을 가져야 합니다. 이러한 격자는 클래딩의 곡면이 렌즈 역할을 하여 들어오는 UV 레이저 빔의 초점을 맞추고 코어 간 노출의 변화를 일으키기 때문에 단일 코어 섬유와 동일한 방법을 사용하여 새겨질 수 없습니다. 따라서 우리는 다중 코어 광섬유의 단면을 통과하는 동안 빔 모양이 변경되지 않도록 추가 광학 요소를 사용합니다. 이것은 한쪽 면이 평평하게 연마된 유리 모세관 튜브로 구성되며, 이 튜브는 새겨질 섬유 섹션 위에 배치됩니다. 레이저 빔은 모세관의 평평한 표면을 통해 광섬유로 들어가므로 원래 치수를 유지합니다. 이 백서는 이 방법을 사용하여 7코어 광섬유에 대한 코어 간 균일성의 개선을 보여줍니다. 이 기술은 더 큰 멀티코어 파이버로 일반화할 수 있습니다.

서론

광섬유 브래그 격자 (FBG를)는 널리 때문에 그들이 응용 한 많은 수의 사용자 정의 할 수 있습니다 사실 협 대역 필터로 사용됩니다. 이들은 단일 파장의 억제에 한정되지 않는다; 복합 전송 스펙트럼은 비주기적인 굴절률의 변화 (2)를 이용하여 생성 될 수있다. 한 가지 제한은 주어진 격자 동안 억제되는 파장이 전파 상수에 의존하기 만 FBG를 단일 모드 광섬유 (SMF에)에 등재 될 수 있다는 것이다. 각 모드는 상이한 전파 상수를 갖는 다중 모드 광섬유 (MMF)에서, 각각의 모드에 대해 억제 파장이 상이하고, 따라서, 회절 격자는 단일 파장에서 강한 억제를 제공하지 않는다.

이 실험에 대한 자극은 천문학에서 온다. 보는 제한 조건 SMF로 직결 어렵고 비효율적이고; 극단적 인 적응 광학은 그래서 3을 수행해야합니다. 이 때문에, MMF의는 일반이다망원경 초점면 4에서 빛을 수집 할 때 ically를 사용합니다. 따라서 만 SMF를 이용할 수있는 기능을 유지하기 위해서는, 각 SMF MMF의 사이의 변환 효율이 필요하다. 이것은 광 랜턴, 테이퍼 전이 5 SMF를 통해 어레이에 연결된 다중 포트로 구성된 장치를 가능하게한다. 광자 롱은 SMF를 근적외선에서 관측 6 (OH 라디칼 및 다른 분자에 의한) 대기 배출 라인을 제거 FBG를 포함하는 그노시스 악기에 사용 하였다. 이 작업을 개별 단일 코어 SMF는 사용의 단점은 하나씩 쓰고 상당한 시간과 노력을 요구하는 수동 광 트레인에 개별적으로 접합해야한다는 것이다. 이 문서에서 설명 된 기술은 단일 - 모드 기능을 제공하는 더 복잡한 섬유 포맷을 사용하여 이러한 단점을 해결하기 위해 시도한다.

차세대 OH의 suppression 악기 PRAXIS 7은 멀티 코어 섬유 (MCFs)의 사용을 만들 것입니다. 이 섬유는 하나의 클래딩에 포함 된 단일 모드로 들어가 본 코어의 수를 포함합니다. 이 방법의 장점은 MCF가 얻어진 광 랜 컴팩트하고 견고한 독립적 인 부와 MMF로 테이퍼 질 수 있다는 것이다. 완성 된 악기에서 망원경에서 빛이 랜턴의 MMF 포트에 연결한다; 테이퍼 천이는 FBG를 통과 할 싱글 모드 코어에이 광을 분리한다. 나머지 광을 필터링 파장 검출기 상에 분산 된 후, 스펙트럼을 수집 하였다.

모든 코어가 단일 패스에서 내접 될 수있는 사용 MCFs 또한 기입 격자의 프로세스 속도. 그러나, 기록 처리는 모든 코어가 동일한 반사 특성을 가질 수 있도록하기 위해 수정되어야한다. 클래드의 곡면이 광섬유 브래그 격자, 입술의 사이드 기입 동안에 렌즈의 역할을하기 때문이다표준 사이드 기록 방법이 사용되는 경우, 각 코어에 전력과 방향으로 변하는 UV 필드 ulting. 따라서, 각 코어는 다른 송신 프로파일을 가질 것이고, 섬유는 단일 파장 8에서 강력한 억제를 제공하지 않을 것이다.

해군 연구소에서 그룹이 변화 (9)의 효과를 취소하기 위해 코어의 분포 감광성 수정 실험. 이러한 접근법을 사용하는 단점은 섬유 클래딩 크기, 코어 크기의 코어 및 화학 성분의 수의 조합마다 재 설계되어야한다는 것이다. 또한, 생성 된 설계에서 축 대칭의 부족은 MCF 효과적으로 원형 코어와 MMF로 테이퍼 질 수 없다는 것을 의미한다. 이 논문은 문제에 대한 다른 접근 방법의 자세한 사항 :이 평평한 표면을 통과 갖는 대신 곡선 클래딩에 직접 입사 됨으로써 섬유 내의 필드를 수정. 이 방법을 사용하는 것은 결과MCF의 디자인과 크기, 우리는 광 등불에 통합 할 특히 축 대칭 섬유의 다양한 양도 기술.

필요한 평면을 만들려면 MCF는 평면 외벽을 제공하기 위해 한쪽면에 접지 및 연마 된 UV-투명 모세관 내부에 배치됩니다. 후자는 직경이 ± 10 μm의 변화를 포함 할 수 있기 때문에 작은 차이는, 섬유 및 모세관 사이에 남아 있어야합니다. 표현 그림 1을 참조하십시오. 이 논문은 이러한 방식으로 광섬유 브래그 격자를 작성 가능한 개선의 예를 제공하기 위하여 실험 과정을 설명한다. 자세한 내용은 이전에 발행 된 시뮬레이션 (10)과 실험 결과 11를 참조하십시오.

figure-introduction-1
연마 모세관 그림 1. 다이어그램 FBG 제품에 사용이온. MCF는 모세관 내부에 배치된다. 둘 사이의 격차가 작은하지만 직경이 작은 변화를 허용해야합니다. 위상 마스크를 통과 한 자외선 후 모세관의 평평한면을 통해 시스템에 들어갑니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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프로토콜

광택 모세관 튜브 1. 준비 (ANFF OptoFab)

  1. 밀접하게 섬유 직경과 일치 내경 유리 모세관 튜브를 얻습니다. 다음은 성능이 더 나은, 크기가 가까이 있지만, 모세관 크기의 ± 10 μm의 변화가 허용되어 있는지 확인합니다. 모세관 튜브에있는 보호 코팅을 제거합니다. 튜브를 손상없이 제거하는 면도날 코팅 면도.
  2. 필요한 경우, 더 작은 직경 모세관 테이퍼. 가능한 경우 컴퓨터 제어 자동 테이퍼 기계를 사용합니다.
    1. 양쪽 끝에 클램프와 튜브의 길이를 고정합니다.
    2. 클램프 사이에 위치 된 가열 필라멘트를 사용하여 직경 주위에 균일하게 융점에 모세관을 가열한다.
    3. 원하는 길이보다 작은 직경으로 테이퍼 될 때까지 일정한 장력 발열체를 통해 모세관을 그린다.
  3. 대략 동일한 길이로 WI 모세관 컷유리 절삭 공구 토륨. 이러한 의도 격자 길이보다 더 긴하지만 사용되는 연마 장비 안에 들어갈만큼 작은 적어도 2cm가 있는지 확인합니다. 참고 : 본 실험 7 cm의 모세관 길이를 사용 하였다.
  4. UV 경화형 접착제를 사용하여 유리 퍽에 모세관 길이의 8 ~ 10을 연결합니다. 랩핑 / 폴리싱 기계와 호환 지그에 퍽을 설치합니다.
  5. 평탄면으로 모세관의 노출 된 벽을 연마하는 랩핑 / 연마 장치를 사용한다. 주의 : 느슨한 모래를 흡입하지 마십시오. 참고 : 연마 요소는 역 삼투압 정제수의 현탁액에 알 2 O 3입니다.
    1. 모세관 벽의 나머지 두께는 약 70 μm의 때까지 25 μm의 모래를 사용합니다. 제거 된 양에 따라서 연마 중에 지그의 변위를 측정하기 위해 마이크로 미터를 사용한다.
    2. 5 μm의 그릿로 전환 한 벽의 나머지 두께는 약 50 μm의 때까지 갈기.
  6. 알칼리 분산 (수산화 나트륨)의 고순도 콜로 이달 실리카 적어도 3 시간 동안 전개 된 표면을 연마하는 랩핑 / 폴리싱 기계를 사용합니다. 참고 :이 광학 품질 표면을 복원합니다. 실리카는 연마 액 3 부 1 부 0.004 M의 NaOH를 첨가하여 고화하는 것을 방지 할 수있다.
  7. 아세톤에 하룻밤 담가 유지 퍽에서 모세관 튜브를 분리합니다.
  8. 벽 두께를 확인 10X 배율 현미경 양단의 모세관 튜브를 조사한다. 주 : 좋은 품질의 모세관의 길이를 따라 균일 한 박막 (~ 50 μm의) 벽이있을 것이다.

격자 2. 창조

  1. 감광성을 증가시키기 MCF 수소화.
    1. 밀봉 밀폐 된 챔버에 수소 첨가되는 섬유를 놓습니다. 주의 : 실 확인 안전하게 의한 가압 가스의 존재에 볼트로 고정된다.
    2. 챔버 내로 고순도 H 2 펌프. 사용 N (2) 가스 압력을 증가시킵니다.
    3. 연장 된 기간 동안 상기 챔버 내부의 섬유가 남지 300 바 및 실온에서 2 주 또는 380 바, 80 ℃ 3 일간.
    4. 챔버에서 가스를 배출하고 섬유를 제거합니다. 주의 : 방을 확인하는 것은 통풍이 잘된다. 가스는 H 2의 경우 asphyxiants, 화재 위험으로 작용할 수있다.
    5. 온도 냉동실에서 섬유를 유지 -70 ° C ~ 이하는 사용 때까지. 이 수소 가스 방출의 속도를 느리게하고 증가 된 감광성을 유지합니다.
  2. MCF에서 보호 코팅을 벗겨. 스트립 MCFs 표준 SMF 섬유 스트리퍼 SMF와 같은 크기; 그렇지 않으면 면도날로 코팅을 면도. 격자 줄곧 섬유의 단부에, 기록되는 영역에서 상기 코팅을 제거한다.
  3. 모세관으로 섬유의 벗겨진 단부를 삽입하고, 그와 b 영역을 덮도록 섬유를 따라 튜브를 밀어 전자가 새겨.
  4. 자외선 보호 안경 착용. 위상 마스크를 향해 각도 모세관의 평탄면, 위상 마스크를 유지하는 이동 스테이지에 탑재 섬유. 파손되는 원인이 마스크 자체를 감동 섬유 마스크에 의해 생성 된 간섭 패턴 내에 위치,하지만되어 있는지 확인합니다.
  5. 빔이 상기 위상 마스크의 평면에 수직이되도록 244 nm의 레이저 정렬. 섬유 레이저 전력의 최소 90 mW의 수신 확인하십시오.
  6. 0.25 mm / min의 속도로 들어오는 광에 대하여 함께 섬유 및 위상 마스크를 이동시켜 UV 간섭 패턴 섬유의 4cm 길이를 노출.
  7. 섬유에서 모세관 튜브를 제거합니다.
  8. 파장 반응을 안정화시키기 20 시간 동안 110 ℃에서 어닐링 격자. 격자는 약 3 일에 걸쳐 자체가 안정하므로이 단계는 선택적이지만, 어닐링 빠르게 진행하게 참고.
스펙트럼의 e_title "> 3. 분석

  1. 광섬유의 양단을 절단. 사용자는 평평한 단면을 보장하는 섬유 직경 장력 모두 설정할 수있는 섬유 칼을 사용한다.
  2. 약 브래그 파장 정합 중심 파장 가변 레이저를 이용한 광섬유의 일단을 밝히는.
  3. 디스플레이 및 광 출력을 기록 할 수 있도록 제어 소프트웨어로 PC에 CCD 카메라를 연결한다. 이미지의 모든 코어가 다수의 CCD의 픽셀을 커버하도록 카메라 앞에서 배율 50X 현미경 대물 렌즈를 이용하여 CCD 카메라와 광 출력. 참고 : 다음은 3.4.1 단계 - 3.5.5은 저자가 사용하는 사용자 정의 소프트웨어에 특정한와 스펙트럼을 캡처 단 하나의 방법을 나타냅니다.
    1. 그들은 제어 소프트웨어의 이미지에 나타나는 코어의 중심을 클릭하여 각 코어에 대응하는 픽셀의 원형 영역을 선택합니다. '길이 또는 직경의 화소 단위로 코어의 직경을 입력# 39; 들.
    2. 선택된 영역에 대해 카메라에 의해 등록 된 화소 값을 기록한다. 그 파장에서의 총 처리량 정량화 해당 코어를 덮는 모든 화소의 값을 합계.
  4. 관측 데이터 수집을 자동화 할 수 있도록, 제어 PC에 연결 가변 파장 레이저.
    1. '시작 파장'필드에 파장을 브래그 파장 아래 약 5 nm의를 입력합니다.
    2. 에서 0.01 nm의 레이저의 파장 증가 설정 '스캔 - 단계'필드. 참고 : 측정 값을 기록하고 다음 파장 단계가 발생하기 전에 그 레이 징 각 파장에서 안정되도록 적어도 300 밀리 초에 단계 사이의 지연 시간을 설정합니다.
    3. '최종 파장'필드의 브래그 파장보다 약 5 nm의 큰 파장을 입력합니다.
    4. 정의 된 시작 파장의 레이저를 설정하는 '자동 검색'버튼을 클릭하고 가열 공기 조절기에서 선택한 증가에 의해 파장을 증가LAR 시간 간격.
    5. 각 파장의 단계에 대한 각각의 코어를 통해 전송 강도를 기록한다. 옵션 '텍스트 저장 파일'을 활성화하여 텍스트 파일로 계산 된 값을 보냅니다.
  5. 주사를 3 회 이상 반복하고 모든 런에서 데이터를 평균화.
  6. 각 코어는 스펙트럼들의 세트를 생성하는 플롯 대 파장 전송 전력.
    1. 동일한 억제 특성을 갖고 있는지 확인하기 위해 코어의 스펙트럼을 비교한다. 각 격자 일치의 중심 파장, 깊이 및 대역폭 있는지 확인합니다.

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결과

이 기술의 효과는 최고와 모세관없이 노광 결과 다심 광섬유 브래그 격자 (MCFBGs)를 비교하여 설명된다. 개별적으로 2 MCF는 SMF를위한 표준 방법을 이용하여 노광 7 코어의 투과 특성을 나타낸다 다른 색상으로 표시 핵심 스펙트럼. 가 최소 오버랩이 억제 파장 사이에, 코어 # 5가 얕은 노치 결과 강한 노출을 받았다. 두 효과는 기록 과정에서 섬유 내에 전력의 변화에​​ 기인한다. -36 dB에서 평탄 컷오프 카메라의 제한된 동적 범위로 인해 참고; 모든 송신이 최소 값에 상대적으로 확장된다.

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MCFBG 그림 2. 성능은 렌즈없이 보상 코어보...

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토론

도 2 및도 3을 함께 격자를 작성할 때 연마 모세관 (PCT)을 도입하면 MCFBG 핵심 스펙트럼의 균일 성을 개선하기에 충분한 것으로 나타났다. 각인 프로세스의 나머지는 SMF 격자를 생성하고, 기존의 대부분의 FBG 작성 시스템에 사용할 수 확립 방법에서 크게 변하지 않는다. 따라서 프로토콜의 섹션 2에서 PCTs의 준비에 설명 된 바와 같이 MCFBG 균일 성을 향상시키기위한 가장 중요하다. 가장 좋은 결과는 광택 벽 일관성, 작은 두께를 갖는 튜브 달성된다; 여기서 선택 50㎛의 두께는 유리의 강도를 유지하고, 섬유와 위상 마스크 사이의 거리를 최소화 사이에서 타협을 제공한다.

그러나, 심지어 PCT와 다른 코어 상이한 파장 응답을 갖도록 MCF 중간 코어 인해 추가적인 효과가있다. 우리는 다른 수소 등록 번호를 사용IME는 변동이 코어의 하부 수소 흡수에 의해 야기되었는지를 조사하는 프로토콜 부 단계 3....

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공개 사항

저자는 경쟁하는 금전적 이해관계가 없음을 선언합니다.

감사의 글

SAIL 연구소는 호주 연구 위원회(Australian Research Council)의 JBH Australian Laureate Fellowship을 통해 자금을 지원받습니다.

이 연구는 Australian Research Council Centre of Excellence for Ultrahigh bandwidth Devices for Optical Systems(프로젝트 번호 CE110001018)의 지원을 받았습니다.

실험 작업은 NCRIS 및 NSW 주 정부 자금을 활용하여 호주 국립 제조 시설(Australian National Fabrication Facility)의 OptoFab 노드에서 부분적으로 수행되었습니다. 광섬유 수소화 서비스는 레드펀의 TE Connectivity에서 제공했습니다. SLS는 이 실험에 사용된 7코어 광섬유를 제공한 일본 Fujikura Ltd의 Optics and Electronics Laboratory에 감사드립니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
멀티 코어 섬유Fujikura Ltd.직경 5.5 의 7 코어; &마이크로; M, 코어 분리 35  &마이크로; m, 125 µ 내에서 육각형으로 배열; m 클래딩, NA = 0.177
유리 테이퍼 기계VytranGPX-3000
UV 레이저Coherent300 FreD Innova주파수 두 배 증가 244  nm, 최소 150mW 출력. 주의: 눈 손상; 적절한 고글
착용 위상 마스크LasirisPM-244-1069.50-50.8사용자 정의 구성 요소, 1069.50 nm 격자 기간, 5.08 mm 두께
모세관PolymicroTSP200794내경 200 µ m, 외경 794 & 마이크로; m
래핑 기계LogitechPM5콤비네이션 그라인더/폴리셔
UV 경화 접착제NorlandNOA-61빠르게 경화, 아세톤으로 제거
가능 EminessAl2O3: 25 &마이크로; m 및 5 &마이크로; m 입자 크기
연마 유체EminessULTRA-SOL 500SSF-500S-5, ULTRA-SOL 500S N/D, 5 GAL
수산화0.004  M
Fiber cleaverVytranLDC-400
조정 가능한 레이저JDS 단상SWS15101
IR 카메라XenicsXEVA-1429320x256 픽셀, 16 비트 해상도
오븐Thermoline ScientificLDO-030NT = 110 에서 어닐링용; &데그; C
수소 가스BOC섬유를 수소화하기 위해. 주의: 가연성, 가압 가스
질소 가스BOC부스터. 주의 : 가압 가스
아세톤
면도날
나트륨 수소화를 위한

참고문헌

  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).
  3. Jovanovic, N., Guyon, O., Martinache, F., Schwab, C., Cvetojevic, N. How to inject light efficiently into single-mode fibers. Proc. SPIE. 9147, 91477P(2014).
  4. Bland-Hawthorn, J., et al. A complex multi-notch astronomical filter to suppress the bright infrared sky. Nat. Comm. 2, 581(2011).
  5. Leon-Saval, S. G., Argyros, A., Bland-Hawthorn, J. Photonic lanterns. Opt. Express. 18 (8), 8430-8439 (2010).
  6. Trinh, C. Q., et al. GNOSIS: the first instrument to use fiber Bragg gratings for OH suppression. Astron. J. 145 (2), 51(2013).
  7. Content, R., et al. PRAXIS: low thermal emission high efficiency OH suppressed fiber spectrograph. Proc. SPIE. 9151, 91514W(2014).
  8. Birks, T. A., Mangan, B. J., Dìez, A., Cruz, J. L., Murphy, D. F. Photonic lantern' spectral filters in multi-core fiber. Opt. Express. 20 (13), 13996-14008 (2012).
  9. Askins, C., et al. Inscription of fiber Bragg gratings in multicore fiber. BGPP. , JWA39(2007).
  10. Lindley, E., et al. Core-to-core uniformity improvement in multicore fiber Bragg gratings. Proc. SPIE. 9151, 91515F(2014).
  11. Lindley, E., et al. Demonstration of uniform multicore fiber Bragg gratings. Opt. Express. 22 (25), 31575-31581 (2014).
  12. Tomaru, S., Yasu, M., Kawachi, M., Edahiro, T. V. A. D. VAD single-mode fiber with 0.2 dB/km loss. Elec. Lett. 17 (2), 93-93 (1981).

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