Het schrijven van Bragg Roosters in Multicore Fibers

Samenvatting

We beschrijven een techniek voor het inschrijven van identieke fiber Bragg-gratings in elke kern van een multicore-vezel. Dit wordt bereikt door een extra oppervlak in de optische baan te introduceren om lenzen door het gebogen oppervlak van de vezelmantel te verminderen.

Samenvatting

Fiber Bragg-gratings in multicore-vezels kunnen worden gebruikt als compacte en robuuste filters in astronomische en andere onderzoeks- en commerciële toepassingen. Sterke onderdrukking op een enkele golflengte vereist dat alle kernen overeenkomstige transmissieprofielen hebben. Deze roosters kunnen niet worden gegraveerd met dezelfde methode als voor enkelkernige vezels omdat het gebogen oppervlak van de mantel als een lens fungeert, waardoor de binnenkomende UV-laserstraal wordt gefocust en variaties in blootstelling tussen kernen veroorzaakt. Daarom gebruiken we een extra optisch element om ervoor te zorgen dat de straalvorm niet verandert tijdens het passeren door de dwarssectie van de multicore-vezel. Dit bestaat uit een glazen capillaire buis die aan één kant vlak is gepolijst, die vervolgens over het te graveren deel van de vezel wordt geplaatst. De laserstraal komt de vezel binnen via het platte oppervlak van de capillaire buis en behoudt daardoor zijn oorspronkelijke afmetingen. Dit artikel demonstreert de verbeteringen in kern-naar-kern uniformiteit voor een 7-kernige vezel met behulp van deze methode. De techniek kan worden gegeneraliseerd naar grotere multicore-vezels.

Inleiding

Bragg roosters (VBR) worden veel gebruikt als smalband filters omdat ze kunnen worden aangepast voor een groot aantal toepassingen ^1. Zij zijn niet beperkt tot onderdrukking enkele golflengten; complex transmissie spectra kunnen worden gemaakt door het gebruik van aperiodische brekingsindex variaties ^2. Een beperking is dat VBR alleen kan worden ingeschreven in single-mode vezels (SMF), als de golflengte die wordt onderdrukt gedurende een bepaalde rasterperiode afhankelijk van de propagatieconstante. In een multimode vezel (MMF), waarbij elke modus een verschillende propagatieconstante, onderdrukte golflengte voor elke modus is anders en daarom het raster geen sterke onderdrukking geven op een bepaalde golflengte.

De impuls voor dit experiment komt uit de astronomie. Under-seeing beperkte voorwaarden, directe koppeling naar een SMF is moeilijk en inefficiënt; extreme adaptieve optiek zijn verplicht om dit te doen ^3. Vanwege dit, geldmarktfondsen zijn typtisch gebruikt bij het ​​verzamelen van licht van de telescoop focal plane ^4. Derhalve om de functionaliteit alleen SMF houden, is het noodzakelijk om efficiënte omzetting tussen SMF en geldmarktfondsen hebben. Dit wordt mogelijk gemaakt door de fotonische lantaarn, een inrichting die bestaat uit een multimode poort verbonden met een reeks SMF via een tapse overgang ^5. Fotonische lantaarns werden gebruikt in de GNOSIS instrument, waarbij de SMF's VBR atmosferische emissielijnen verwijderen (door OH radicalen en andere moleculen) van nabij-infrarood observaties ^6. De nadelen van het gebruik van afzonderlijke, eenaderige SMF voor deze taak zijn dat zij moeten worden gesteld één voor één afzonderlijk gesplitst in de optische trein en vereist veel tijd en handmatige inspanning. De in dit artikel beschreven techniek probeert deze tekortkomingen met een complexere vezels formaat naar de single-mode functionaliteit pakken.

De volgende generatie OH supprsessieschijven instrument PRAXIS ⁷ maakt gebruik van multi-core vezels (MCFs) te maken. Deze vezels bevatten een aantal single-moded cores ingebed in een enkele bekleding. Het voordeel van deze aanpak is dat de MCF kan taps toelopen in een MMF de resulterende fotonische lantaarn die een compacte en robuuste onafhankelijke eenheid. In de voltooide instrument, zal het licht van de telescoop worden gekoppeld in de MMF-poort van de lantaarn; de taps toelopende overgang zal dit licht te scheiden in de single-mode kernen, waar het door de FBG's zal passeren. Na de golflengte filtreren van de resterende licht wordt verdeeld op een detector, de spectra verzameld.

Met behulp van MCFs ook versnelt het proces van het schrijven van roosters, omdat alle cores kan worden ingeschreven in een single-pass. Wel moet de schrijfproces teneinde worden gemodificeerd zodat alle kernen dezelfde reflectiekarakteristieken. Dit komt doordat het gebogen oppervlak van de bekleding werkt als een lens bij zijdelingse het schrijven van de VBR, resUlting in een UV-veld die varieert in kracht en de richting bij elke kern als de standaard side-writing methode wordt gebruikt. Vandaar dat elke kern een andere transmissie profiel, en de vezel zal geen sterke onderdrukking op een enkele golflengte ^8.

Een groep aan de Naval Research Laboratory geëxperimenteerd met het modificeren van de distributie en lichtgevoeligheid aders om de effecten van deze variatie ⁹ annuleren. Het nadeel van een dergelijke benadering is dat de vezel moet worden herontworpen voor elke combinatie van bekleding grootte, kern, aantal kernen en chemische samenstelling. Bovendien, het ontbreken van axiale symmetrie in de resulterende ontwerpen betekent dat de MCF niet effectief kan taps toelopen in een MMF met een ronde kern. Deze paper Gegevens een andere benadering van het probleem: wijzigen van de voorwaarden op de vezel doordat het door een vlak oppervlak passeert in plaats van direct invalt op de gebogen bekleding. Met deze aanpak resulteert in eentechniek die overdraagbaar is aan een verscheidenheid van MCF uitvoeringen en afmetingen, met name de axiaal symmetrische vezels die we willen nemen in fotonische lantaarns.

De nodige vlakke oppervlak te creëren, wordt de MCF geplaatst in een UV-transparante capillaire buis die is geslepen en gepolijst aan één zijde een vlakke buitenwand geven. Een kleine opening gelaten worden tussen de vezels en capillaire, omdat deze laatste ± 10 urn variaties in diameter bevatten. Zie Figuur 1 voor een afbeelding. Dit papier wordt de experimentele procedure beschrijven VBR op deze manier schrijven en voorbeelden van de mogelijke verbeteringen. Voor meer informatie zie eerder gepubliceerde simulaties ¹⁰ en experimentele resultaten ^11.

Figuur 1. Diagram van gepolijst capillair zoals in FBG production. De MCF is geplaatst binnen het capillair. De kloof tussen de twee moet klein zijn, maar zorgen voor kleine variaties in diameter. De UV-licht dat door de fase masker is gepasseerd gaat dan het systeem via de platte kant van het capillair. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Protocol

1. Bereiding van Polished capillaire Tubes (ANFF OptoFab)

1. Verkrijgen van glazen capillaire buisjes met een binnendiameter nauw afgestemd op vezeldiameter. Hoe dichter in grootte, hoe beter de prestaties, maar controle of ± 10 urn variatie in capillaire afmeting wordt toegestaan. Verwijder eventuele beschermende coatings van het capillair aan. Scheren coatings met een scheermesje om ze te verwijderen zonder schade aan de buizen.
2. Schuin de capillaire buisjes tot een kleinere diameter indien nodig. Gebruik een computergestuurde automatische machine taps indien beschikbaar.
   1. Bevestig een stuk buis met klemmen aan beide uiteinden.
   2. Verwarm de capillair smeltpunt gelijkmatig over de diameter een hete filament tussen de klemmen.
   3. Trek de capillair door middel van het verwarmingselement met een constante spanning totdat de gewenste lengte is taps naar de kleinere diameter.
3. Snijd de capillair in ongeveer gelijke lengte with een glas snijgereedschap. Zorgen dat deze ten minste 2 cm langer dan het bedoelde raster lengte maar klein genoeg binnen het polijsten apparatuur te passen. Opmerking: Voor dit experiment een capillaire lengte van 7 cm werd gebruikt.
4. Bevestig 8-10 van de capillaire lengte om een ​​glas puck met behulp van UV-uithardende lijm. Installeer de puck op een jig verenigbaar is met het geklots / polijstmachine.
5. Gebruik het klotsen / polijsten machine om de blootgestelde wanden van de capillaire buisjes malen op vlakke ondergrond. LET OP: Adem geen losse grit. Opmerking: Het schuurmiddel element Al ₂ O ₃ in een suspensie van omgekeerde osmose gezuiverd water.
   1. Met 25 urn grit totdat de resterende dikte van de capillaire wand bedraagt ​​ongeveer 70 pm. Gebruik een micrometer om de verplaatsing van de mal te meten bij het slijpen en dus de hoeveelheid die is verwijderd.
   2. Switch to 5 urn gruis en maal tot de resterende dikte van de wand bedraagt ​​ongeveer 50 urn.
6. Gebruik het klotsen / polijstmachine het afgeplatte oppervlak polijsten gedurende ten minste 3 uur met hoogzuivere colloïdale silica in alkalische dispersie (NaOH). Opmerking: Dit herstelt het oppervlak van optische kwaliteit. Het silica kan worden voorkomen stollen door toevoeging van 1 deel 0,004 M NaOH tot 3 delen polijsten oplossing.
7. Scheid de capillaire buisjes van de holding puck door het weken 's nachts in aceton.
8. Bestudeer de capillaire buisjes aan beide uiteinden onder een microscoop met 10x vergroting van de wanddikte te controleren. Opmerking: Een goede kwaliteit capillaire zal een uniform dun (~ 50 micrometer) muur langs zijn lengte.

2. Het creëren van Gratings

1. Hydrogeneren de MCF op lichtgevoeligheid verhogen.
   1. Plaats de vezels te hydrogeneren in een luchtdicht afgesloten ruimte. LET OP: Zorg ervoor dat de kamer wordt stevig vastgeschroefd door de aanwezigheid van onder druk staande gassen.
   2. Pomp hoge zuiverheid H ₂ in de kamer. Gebruik N ₂ gas als een booster om de druk te verhogen.
   3. Laat de vezels binnen de kamer gedurende langere tijd: 2 weken bij 300 bar en kamertemperatuur of 3 dagen bij 380 bar en 80 ° C.
   4. Vent de gassen uit de kamer en verwijder de vezels. LET OP: Zorg ervoor dat de ruimte goed geventileerd. Gassen kunnen optreden als asphyxiants of brandgevaar in het geval van H _2.
   5. Houd de vezels in een vriezer met temperatuur -70 ° C of lager totdat ze worden gebruikt. Dit vertraagt ​​de snelheid van waterstof ontgassing en behoudt de verhoogde lichtgevoeligheid.
2. Strip de beschermlaag van de MCF. Strip MCFs dezelfde grootte als SMF's met een standaard SMF fiber stripper; anders aftrekken van de bekleding met een scheermesje. Verwijder de bekleding uit het gebied waar het rooster wordt geschreven, tot aan het einde van de vezel.
3. Steek het gestripte uiteinde van de vezel in de capillaire buis en schuif de buis langs de vezel, zodat het betrekking heeft op de regio naar b e ingeschreven.
4. Doe UV-beschermende brillen. Monteer de vezel op de bewegende fase, die het fasemasker houdt met de vlakke zijde van het capillair een hoek naar het fasemasker. Zorg ervoor dat de vezel is gepositioneerd binnen het interferentiepatroon gecreëerd door het masker, maar niet aanraken van het masker zelf, dit kan schade veroorzaken.
5. Lijn de 244 nm laser zodat de straal loodrecht op het vlakke oppervlak van het fasemasker. Zorg ervoor dat de vezel ontvangt ten minste 90 mW laservermogen.
6. Blootstellen van 4 cm lengte van de vezel aan de UV interferentiepatroon van elkaar bewegen van de vezel en fasemasker ten opzichte van de binnenkomende bundel met een snelheid van 0,25 mm / min.
7. Verwijder het capillair van de vezel.
8. Gloeien het raster bij 110 ° C gedurende 20 uur om de reactie te stabiliseren golflengte. Opmerking: Deze stap is optioneel als het raster zal stabiliseren op zich in de loop van ongeveer drie dagen, maar annealing maakt het proces sneller.

e_title "> 3. Analyse van Spectra

1. Splitsen beide uiteinden van de vezel. Gebruik een vezelmes waarmee de gebruiker zowel vezeldiameter en spanning ingesteld op een vlak eindoppervlak waarborgen.
2. Verlicht ene uiteinde van de vezel met een afstembare laser met een centrale golflengte ongeveer aangepast aan de Bragg golflengte.
3. Sluit een CCD-camera aan op een PC met besturingssoftware voor het weergeven en opnemen van de vezel output. Beeld de vezeluitvoer van de CCD-camera, met behulp van een microscoop objectief met 50x vergroting voor de camera zodat de monsters beschermen tegen meervoudige CCD pixels. Let op: de volgende stappen 3.4.1 - 3.5.5 zijn specifiek voor de aangepaste software die wordt gebruikt door de auteurs en vertegenwoordigen slechts één methode van het vastleggen van spectra.
   1. Selecteer een cirkelvormig gebied van pixels corresponderend met elk monster door op de centra geleiders zoals deze in de afbeelding in de besturingssoftware. Voer de diameter van de kernen in eenheden van pixels in de "Length of Diameter &# 39; veld.
   2. Noteer de pixelwaarden van de camera geregistreerd voor de geselecteerde regio. Tel de waarden voor alle pixels die een bepaalde kern naar de totale doorvoer op die golflengte te kwantificeren.
4. Sluit de afstembare laser om de controle PC, zodat observaties en het verzamelen van gegevens kan worden geautomatiseerd.
   1. Voer een golflengte van ongeveer 5 nm onder de Bragg golflengte in het 'Start Wavelength' veld.
   2. Stel de golflengte toename van de laser tot 0,01 nm in de 'Scan - Step' veld. Opmerking: Stel de vertraging tussen de stappen ten minste 300 ms zodat laserwerking stabiel is bij elke golflengte voordat worden geregistreerd, en de volgende golflengtestap optreedt.
   3. Voer een golflengte van ongeveer 5 nm groter is dan de Bragg golflengte in het 'Einde Wavelength' veld.
   4. Klik op de 'Automatic Scan' knop om de laser om de gedefinieerde Start Golflengte instellen en verhoging van de golflengte van de gekozen verhoging bij VerLAR tijdsintervallen.
   5. Noteer de intensiteit die via elk monster per golflengtestap. Exporteer de berekende waarden naar een tekstbestand door het inschakelen van de 'Text Bestand opslaan' optie.
5. Herhaal de scan ten minste 3 keer en de gemiddelde gegevens van alle runs.
6. Plot uitgezonden vermogen versus golflengte voor elke kern een set van spectra genereren.
   1. Vergelijk de spectra van de monsters om te bevestigen of zij dezelfde kenmerken onderdrukking. Controleer of de centrale golflengte, de diepte en de bandbreedte van elk rooster wedstrijd.

Resultaten

De effectiviteit van deze techniek wordt het best aangetoond door de meeraderige vezel Bragg roosters (MCFBGs) als gevolg van blootstelling met en zonder de capillair. Figuur 2 toont de transmissie-eigenschappen van een 7-kern MCF belicht onder gebruikmaking van de standaardmethode voor SMF, met individuele kern spectra vertegenwoordigd door verschillende kleuren. Er minimale overlap tussen de onderdrukte golflengtes en kern # 5 zwakker blootstelling resulteert in een on...

Discussie

Figuren 2 en 3 tonen tezamen dat het inbrengen van het gepolijste capillair (PCT) bij het ​​schrijven roosters voldoende is om de uniformiteit van de kern in de spectra MCFBG verbeteren. De rest van de inscriptie proces is grotendeels ongewijzigd ten opzichte van gevestigde methoden voor het creëren SMF roosters en kan gebruikt worden met de meeste bestaande FBG schriftelijk systemen. Vandaar dat de voorbereiding van de PCT's, zoals beschreven in deel 2 van het protocol is het meest...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Multicore fiber	Fujikura Ltd.		7 cores met diameter 5,5 µm, kernafstand 35 µm, hexagonaal gerangschikt binnen 125 µm omhulsel, NA = 0,177
Glastaperingsmachine	Vytran	GPX-3000
UV-laser	Coherent	300 FreD Innova	Frequentie verdubbeld 244 nm, minimaal 150 mW uitgang. LET OP: oogschade; draag geschikte veiligheidsbril
Fasenmasker	Lasiris	PM-244-1069.50-50.8	Aangepaste component, 1069,50 nm roosterperiode, 5,08 mm dikte
Kapilaire buizen	Polymicro	TSP200794	Binnendiameter 200 µm, buitendiameter 794 µm
Slijpmachine	Logitech	PM5	Combinatie slijper/polijstmachine
UV-hardende lijm	Norland	NOA-61	Hardt snel, verwijderbaar met aceton
Microgrit	Eminess		Al2O3: 25 µm en 5 µm deeltjesgrootte
Polijstvloeistof	Eminess	ULTRA-SOL 500S	SF-500S-5, ULTRA-SOL 500S N/D, 5 GAL
Natriumhydroxide			0,004 M
Vezelkleuver	Vytran	LDC-400
Afleesbare laser	JDS Uniphase	SWS15101
IR-camera	Xenics	XEVA-1429	320x256 pixel, 16 bit resolutie
Oven	Thermoline Scientific	LDO-030N	Voor gloeiing bij T = 110 °C
Waterstofgas	BOC		Voor het hydrogeneren van vezel. LET OP: ontvlambaar, onder druk staand gas
Stikstofgas	BOC		Booster voor hydrogenering. LET OP: onder druk staand gas
Aceton
Scheermesjes