Opisujemy technikę wpisywania identycznych siatek Bragga w każdy rdzeń światłowodu wielordzeniowego. Osiąga się to poprzez wprowadzenie dodatkowej powierzchni do ścieżki optycznej w celu złagodzenia soczewkowania przez zakrzywioną powierzchnię okładziny włókna.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Pisanie siatek Bragga we włóknach wielordzeniowych
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Siatki Bragga w światłowodach wielordzeniowych mogą być używane jako kompaktowe i wytrzymałe filtry w astronomicznych i innych badaniach oraz komercyjnych zastosowaniach. Silne tłumienie na jednej długości fali wymaga, aby wszystkie rdzenie miały pasujące profile transmisji. Kraty te nie mogą być opisane tą samą metodą, co w przypadku włókien jednożyłowych, ponieważ zakrzywiona powierzchnia okładziny działa jak soczewka, skupiając przychodzącą wiązkę lasera UV i powodując różnice w ekspozycji między rdzeniami. W związku z tym stosujemy dodatkowy element optyczny, aby kształt wiązki nie zmieniał się podczas przechodzenia przez przekrój światłowodu wielordzeniowego. Składa się on ze szklanej rurki kapilarnej, która została wypolerowana na płasko z jednej strony, a następnie umieszczana na części włókna, która ma być wpisana. Wiązka laserowa wchodzi do światłowodu przez płaską powierzchnię rurki kapilarnej, dzięki czemu zachowuje swoje pierwotne wymiary. W artykule przedstawiono poprawę jednorodności między rdzeniami dla 7-rdzeniowego włókna przy użyciu tej metody. Technikę tę można uogólnić na większe włókna wielordzeniowe.
Wprowadzenie
Włókna z zapisanymi kratkami Bragga (FBG) są powszechnie stosowane jako filtry wąskopasmowe ze względu na możliwość dostosowania ich do wielu zastosowań1. Ich działanie nie ogranicza się do tłumienia pojedynczych długości fal; dzięki zastosowaniu aperiodycznych zmian współczynnika załamania można tworzyć złożone widma transmisyjne2. Jednym z ograniczeń jest fakt, że kratki FBG mogą być zapisywane wyłącznie we włóknach jednomodowych (SMF), ponieważ długość fali tłumionej dla danego okresu kratki zależy od stałej propagacji. W włóknie wielomodowym (MMF), w którym każdy mod ma inną stałą propagacji, długość fali tłumionej dla każdego modu jest inna, w związku z czym kratka nie zapewnia silnego tłumienia przy żadnej pojedynczej długości fali.
Impulsem do przeprowadzenia tego eksperymentu jest astronomia. W warunkach ograniczonych przez seeing bezpośrednie sprzęganie światła z SMF jest trudne i mało wydajne; do jego realizacji wymagana jest zaawansowana optyka adaptacyjna3. Z tego powodu podczas zbierania światła z płaszczyzny ogniskowej teleskopu zazwyczaj stosuje się MMF4. Aby zatem zachować funkcjonalność dostępną wyłącznie dla SMF, konieczne jest zapewnienie wydajnej konwersji między SMF a MMF. Jest to możliwe dzięki zastosowaniu latarni fotonicznej (photonic lantern) – urządzenia składającego się z portu wielomodowego połączonego z matrycą SMF za pomocą przejścia zwężającego (taper)5. Latarnie fotoniczne zostały wykorzystane w instrumencie GNOSIS, w którym SMF zawierały FBG w celu usunięcia linii emisyjnych atmosfery (wywołanych przez rodniki OH i inne cząsteczki) z obserwacji w bliskiej podczerwieni6. Wadą stosowania pojedynczych, jednordzeniowych SMF do tego zadania jest konieczność ich pojedynczego zapisywania i indywidualnego spajania w torze optycznym, co wymaga znacznych nakładów czasu i pracy ręcznej. Technika opisana w niniejszym artykule ma na celu wyeliminowanie tych niedogodności poprzez zastosowanie bardziej złożonego formatu włókna w celu zapewnienia funkcjonalności jednomodowej.
Instrument do tłumienia linii OH nowej generacji PRAXIS7 będzie wykorzystywać włókna wielordzeniowe (MCFs). Włókna te zawierają dowolną liczbę rdzeni jednomodowych osadzonych w pojedynczym płaszczu. Przewagą tego podejścia jest możliwość zwężenia włókna MCF do postaci włókna wielomodowego (MMF), dzięki czemu powstała latarnia fotoniczna stanowi kompaktowy i wytrzymały, samodzielny moduł. W gotowym instrumencie światło z teleskopu zostanie sprzężone z portem MMF latarni; przejście zwężone rozdzieli to światło na rdzenie jednomodowe, w których przejdzie ono przez sieci Bragga (FBGs). Po filtrowaniu długości fal pozostałe światło zostanie rozproszone na detektorze, a zebrane zostaną widma.
Stosowanie MCF przyspiesza również proces zapisu kratk, ponieważ wszystkie rdzenie mogą zostać zapisane podczas jednego przejścia. Jednakże proces zapisu musi zostać zmodyfikowany, aby zapewnić, że wszystkie rdzenie mają takie same charakterystyki odbicia. Wynika to z faktu, że zakrzywiona powierzchnia płaszcza działa jak soczewka podczas bocznego zapisu FBG, co skutkuje polem UV o różnej mocy i kierunku dla każdego rdzenia w przypadku zastosowania standardowej metody zapisu bocznego. W konsekwencji każdy rdzeń będzie miał inny profil transmisji, a światłowód nie zapewni silnego tłumienia przy pojedynczej długości fali8.
Zespół z Naval Research Laboratory eksperymentował z modyfikacją rozkładu i światłoczułości rdzeni, aby zniwelować efekty tej zmienności9. Wadą takiego podejścia jest konieczność przeprojektowania włókna dla każdej kombinacji rozmiaru płaszcza, rozmiaru rdzenia, liczby rdzeni i składu chemicznego. Dodatkowo brak symetrii osiowej w wynikających projektach sprawia, że MCF nie może być efektywnie zwężone do MMF z okrągłym rdzeniem. Niniejsza praca szczegółowo opisuje inne podejście do tego problemu: modyfikację pola wewnątrz włókna poprzez przeprowadzenie go przez płaską powierzchnię, zamiast bezpośredniego padania na zakrzywiony płaszcz. Zastosowanie tego podejścia pozwala na opracowanie techniki, którą można przenieść na różne projekty i rozmiary MCF, w szczególności na włókna symetryczne osiowo, które chcemy włączyć do latarni fotonicznych.
Aby uzyskać niezbędną płaską powierzchnię, MCF umieszcza się wewnątrz kapilary przezroczystej dla promieniowania UV, która została zeszlifowana i wypolerowana z jednej strony w celu uzyskania płaskiej ścianki zewnętrznej. Pomiędzy włóknem a kapilarą należy pozostawić niewielką szczelinę, ponieważ ta druga może wykazywać wahania średnicy w zakresie ±10 µm. Przedstawienie tego układu znajduje się na Rysunku 1. Niniejsza praca opisuje procedurę doświadczalną zapisu FBG w ten sposób i przedstawia przykłady możliwych ulepszeń. Więcej informacji można znaleźć w opublikowanych wcześniej symulacjach10 oraz wynikach doświadczalnych11.
Rysunek 1. Schemat polerowanej rurki kapilarnej stosowanej w produkcji FBG. MCF jest umieszczony wewnątrz rurki kapilarnej. Przerwa między nimi powinna być niewielka, ale pozwalać na małe różnice w średnicy. Światło UV, które przeszło przez maskę fazową, wnika następnie do układu przez płaską stronę rurki kapilarnej. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
1. Przygotowanie polerowanych rurek kapilarnych (ANFF OptoFab)
- Uzyskaj szklane rurki kapilarne o średnicy wewnętrznej ściśle dopasowanej do średnicy włókna. Im bliższy rozmiar, tym lepsza wydajność, ale upewnij się, że dopuszczalna jest różnica w wielkości kapilary ±10 μm. Usuń wszelkie powłoki ochronne z rurek kapilarnych. Zgol powłoki żyletką, aby usunąć je bez uszkadzania rurek.
- W razie potrzeby zwęż rurki kapilarne do mniejszej średnicy. Użyj sterowanej komputerowo automatycznej maszyny do zwężania, jeśli jest dostępna.
- Zabezpiecz odcinek rurki za pomocą zacisków na obu końcach.
- Podgrzej kapilarnę do temperatury topnienia równomiernie wokół jej średnicy za pomocą gorącego włókna umieszczonego między zaciskami.
- Przeciągnąć kapilarę przez element grzejny ze stałym napięciem, aż żądana długość zostanie zwężona do mniejszej średnicy.
- Pokrój rurkę kapilarną na mniej więcej równe długości za pomocą narzędzia do cięcia szkła. Upewnij się, że są one co najmniej 2 cm dłuższe niż zalecana długość kraty, ale wystarczająco małe, aby zmieściły się w używanym sprzęcie do polerowania. Uwaga: W tym eksperymencie użyto kapilary o długości 7 cm.
- Przymocuj 8-10 długości kapilar do szklanego krążka za pomocą kleju utwardzanego promieniami UV. Zamontuj krążek na przyrządzie kompatybilnym z maszyną do docierania/polerowania.
- Użyj maszyny do docierania/polerowania, aby zeszlifować odsłonięte ścianki rurek kapilarnych do płaskiej powierzchni. UWAGA: Nie wdychać sypkiego piasku. Uwaga: Elementem ściernym jest Al2O3 w zawiesinie wody oczyszczonej metodą odwróconej osmozy.
- Stosować ziarnistość 25 μm, aż pozostała grubość ścianki kapilary wyniesie około 70 μm. Użyj mikrometru, aby zmierzyć przemieszczenie przyrządu podczas szlifowania, a tym samym ilość, która została usunięta.
- Zmień na ziarnistość 5 μm i miel, aż pozostała grubość ścianki wyniesie około 50 μm.
- Za pomocą maszyny do docierania/polerowania poleruj spłaszczoną powierzchnię przez co najmniej 3 godziny krzemionką koloidalną o wysokiej czystości w dyspersji alkalicznej (NaOH). Uwaga: Spowoduje to przywrócenie powierzchni do jakości optycznej. Krzemionce można zapobiec krzepnięciu, dodając 1 część 0,004 M NaOH do 3 części roztworu do polerowania.
- Oddziel rurki kapilarne od krążka podtrzymującego, mocząc je przez noc w acetonie.
- Zbadaj rurki kapilarne na obu końcach pod mikroskopem z 10-krotnym powiększeniem, aby sprawdzić grubość ścianki. Uwaga: Dobrej jakości kapilara będzie miała jednolitą cienką (~ 50 μm) ściankę na całej swojej długości.
2. Tworzenie krat
- Uwodornić MCF, aby zwiększyć wrażliwość na światło.
- Umieść włókna, które mają zostać uwodornione, w szczelnej, hermetycznej komorze. UWAGA: Upewnij się, że komora jest bezpiecznie przykręcona ze względu na obecność gazów pod ciśnieniem.
- PompowaćH2 o wysokiej czystości do komory. Użyj gazu N2 jako wzmacniacza, aby zwiększyć ciśnienie.
- Pozostaw włókna w komorze na dłuższy okres: 2 tygodnie w temperaturze 300 bar i temperaturze pokojowej lub 3 dni w temperaturze 380 bar i 80 °C.
- Odpuść gazy z komory i usuń włókna. UWAGA: Upewnij się, że pomieszczenie jest dobrze wentylowane. Gazy mogą działać dusząco lub stwarzać ryzyko pożaru w przypadkuH2.
- Przechowuj włókna w zamrażarce o temperaturze -70 °C lub niższej, aż do ich użycia. Spowalnia to tempo odgazowywania wodoru i zachowuje zwiększoną wrażliwość na światło.
- Usuń powłokę ochronną z MCF. Striptuj MCF tego samego rozmiaru co SMF ze standardowym stripperem światłowodowym SMF; W przeciwnym razie zgolić powłokę żyletką. Usuń powłokę z obszaru, w którym ma być napisana krata, aż do końca włókna.
- Włóż odizolowany koniec włókna do rurki kapilarnej i przesuń rurkę wzdłuż włókna tak, aby zakrywała obszar, który ma być wpisany.
- Załóż okulary chroniące przed promieniowaniem UV. Zamontuj włókno na ruchomym stoliku, na którym znajduje się maska fazowa, płaską stroną rurki kapilarnej skierowaną pod kątem w kierunku maski fazowej. Upewnij się, że włókno jest umieszczone w obrębie wzoru zakłóceń utworzonego przez maskę, ale nie dotyka samej maski, ponieważ może to spowodować uszkodzenie.
- Ustaw laser 244 nm tak, aby wiązka była prostopadła do płaskiej powierzchni maski fazowej. Upewnij się, że światłowód otrzymuje co najmniej 90 mW mocy lasera.
- Wystaw włókno o długości 4 cm na działanie zakłóceń UV, przesuwając włókno i maskę fazową razem w stosunku do wiązki przychodzącej z prędkością 0.25 mm/min.
- Wyjmij rurkę kapilarną z włókna.
- Wyżarzać ruszt w temperaturze 110 °C przez 20 godzin, aby ustabilizować odpowiedź długości fali. Uwaga: Ten krok jest opcjonalny, ponieważ krata ustabilizuje się sama w ciągu około trzech dni, ale wyżarzanie przyspiesza proces.
3. Analiza widm
- Rozetnij oba końce włókna. Użyj obcinacza do włókien, który pozwala użytkownikowi ustawić zarówno średnicę włókna, jak i napięcie, aby zapewnić płaską powierzchnię końcową.
- Oświetl jeden koniec światłowodu za pomocą przestrajalnego lasera o centralnej długości fali w przybliżeniu dopasowanej do długości fali Bragga.
- Podłącz kamerę CCD do komputera z oprogramowaniem sterującym, aby wyświetlić i nagrać wyjście światłowodu. Zobrazuj wyjście światłowodowe za pomocą kamery CCD, używając soczewki obiektywu mikroskopu o 50-krotnym powiększeniu przed kamerą, aby upewnić się, że wszystkie rdzenie obejmują wiele pikseli CCD. Uwaga: Poniższe kroki 3.4.1 – 3.5.5 są specyficzne dla niestandardowego oprogramowania używanego przez autorów i reprezentują tylko jedną metodę przechwytywania widm.
- Wybierz okrągły obszar pikseli odpowiadający każdemu rdzeniowi, klikając środki rdzeni tak, jak pojawiają się na obrazie w oprogramowaniu sterującym. Wprowadź średnicę rdzeni w jednostkach pikseli w polu "Długość lub średnica".
- Zapisz wartości pikseli zarejestrowane przez kamerę dla wybranych regionów. Zsumuj wartości wszystkich pikseli pokrywających dany rdzeń, aby określić ilościowo całkowitą przepustowość na tej długości fali.
- Podłącz przestrajalny laser do komputera sterującego, aby można było zautomatyzować obserwacje i gromadzenie danych.
- Wprowadź długość fali około 5 nm poniżej długości fali Bragga w polu "Długość fali początkowej".
- Ustaw przyrost długości fali lasera na 0,01 nm w polu "Skanowanie - Krok". Uwaga: Ustaw opóźnienie między krokami na co najmniej 300 ms, aby laserowanie było stabilne na każdej długości fali przed zarejestrowaniem pomiarów i wystąpieniem następnego kroku długości fali.
- Wprowadź długość fali o około 5 nm większą niż długość fali Bragga w polu "End Wavelength" (Długość fali końcowej).
- Kliknij przycisk "Automatyczne skanowanie", aby ustawić laser na zdefiniowaną długość fali początkowej i zwiększać długość fali o wybrany przyrost w regularnych odstępach czasu.
- Zapisz intensywność przesyłaną przez każdy rdzeń dla każdego kroku długości fali. Wyeksportuj obliczone wartości do pliku tekstowego, włączając opcję "Zapisz plik tekstowy".
- Powtórz skanowanie co najmniej 3 razy i uśrednij dane ze wszystkich przebiegów.
- Wykreśl przesyłaną moc w funkcji długości fali dla każdego rdzenia, aby wygenerować zestaw widm.
- Porównaj widma wszystkich rdzeni, aby potwierdzić, czy mają one taką samą charakterystykę tłumienia. Sprawdź, czy centralna długość fali, głębokość i szerokość pasma każdej siatki są zgodne.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Skuteczność tej techniki najlepiej obrazuje porównanie wielordzeniowych światłowodowych kratek Bragga (MCFBGs) powstałych w wyniku naświetlania z zastosowaniem kapilary oraz bez niej. Rysunek 2 przedstawia charakterystyki transmisji światłowodu wielordzeniowego (MCF) o 7 rdzeniach, naświetlanego standardową metodą stosowaną dla światłowodów jednomodowych (SMF), gdzie widma poszczególnych rdzeni zaznaczono różnymi kolorami. Nakładanie się stłumionych długości fal jest mini...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
Rysunki 2 i 3 pokazują razem, że wprowadzenie polerowanej rurki kapilarnej (PCT) podczas pisania siatek jest wystarczające do poprawy jednorodności widm rdzenia w MCFBG. Reszta procesu inskrypcji jest w dużej mierze niezmieniona w stosunku do ustalonych metod tworzenia siatek SMF i może być używana z większością istniejących systemów pisma FBG. W związku z tym przygotowanie PCT, jak opisano w sekcji 2 protokołu, ma największe znaczenie dla poprawy jednolitości MCFBG. Najlepsze wyniki osi...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.
Podziękowania
Laboratoria SAIL są finansowane przez JBH's Australian Laureate Fellowship od Australian Research Council.
To badanie było wspierane przez Centrum Doskonałości Australijskiej Rady ds. Badań Naukowych dla Urządzeń Ultrawysokich Przepustowości dla Systemów Optycznych (numer projektu CE110001018).
Eksperymentalne prace zostały częściowo przeprowadzone w węźle OptoFab Australian National Fabrication Facility, wykorzystując NCRIS i fundusze rządu stanowego NSW. Usługi uwodornienia światłowodów zostały wykonane przez TE Connectivity w Redfern. SLS pragnie podziękować Laboratorium Optyki i Elektroniki, Fujikura Ltd, Japonia za dostarczenie 7-rdzeniowego światłowodu użytego w tym eksperymencie.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Włókno wielordzeniowe | Fujikura Sp. z o.o. | 7 rdzeni o średnicy 5,5 &mikro; m, separacja rdzeni 35 &mikro; m, sześciokątnie ułożone w granicach 125 &mikro; m okładzina, NA = 0,177 | |
| Maszyna do zwężania szkła | Vytran | GPX-3000 | |
| Laser UV | Coherent | 300 FreD Innova | Podwojona częstotliwość 244 nm, moc wyjściowa co najmniej 150 mW. UWAGA: uszkodzenie oczu; nosić odpowiednie gogle |
| Maska fazowa | Lasiris | PM-244-1069.50-50.8 | Komponent niestandardowy, okres siatki 1069.50 nm, grubość 5.08 mm |
| Rurki kapilarne | Polymicro | TSP200794 | Średnica wewnętrzna 200 &mikro; M, średnica zewnętrzna 794 µ |
| m Maszyna do docierania | Logitech | PM5 | Kombinowana szlifierka/polerka |
| Klej utwardzany promieniami UV | Norland | NOA-61 | Utwardza się szybko, usuwalny acetonem |
| Microgrit | Eminess | Al2O3: 25 µ m oraz 5 i mikro; m wielkość cząstek | |
| Płyn polerski | Eminess | ULTRA-SOL 500S | SF-500S-5, ULTRA-SOL 500S N/D, 5 GAL |
| Wodorotlenek | 0,004 M | ||
| Obcinak do włókien | Vytran | LDC-400 | |
| Przestrajalny laser | JDS Uniphase | SWS15101 | |
| Kamera na podczerwień | Xenics | XEVA-1429 | 320x256 pikseli, rozdzielczość 16 bitów |
| Piekarnik | Thermoline Scientific | LDO-030N | Do wyżarzania przy T = 110 ° C |
| Wodór gazowy | BOC | Do uwodorniania włókna. UWAGA: łatwopalny gaz pod ciśnieniem | |
| Azot gazowy | BOC | Booster do uwodornienia. UWAGA: gaz pod ciśnieniem | |
| Aceton | |||
| Żyletki |
Bibliografia
- Othonos, A. Fiber Bragg gratings. Rev. Sci. Instrum. 68 (12), 4309-4341 (1997).
- 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).
- Jovanovic, N., Guyon, O., Martinache, F., Schwab, C., Cvetojevic, N. How to inject light efficiently into single-mode fibers. Proc. SPIE. 9147, 91477P(2014).
- Bland-Hawthorn, J., et al. A complex multi-notch astronomical filter to suppress the bright infrared sky. Nat. Comm. 2, 581(2011).
- Leon-Saval, S. G., Argyros, A., Bland-Hawthorn, J. Photonic lanterns. Opt. Express. 18 (8), 8430-8439 (2010).
- Trinh, C. Q., et al. GNOSIS: the first instrument to use fiber Bragg gratings for OH suppression. Astron. J. 145 (2), 51(2013).
- Content, R., et al. PRAXIS: low thermal emission high efficiency OH suppressed fiber spectrograph. Proc. SPIE. 9151, 91514W(2014).
- 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).
- Askins, C., et al. Inscription of fiber Bragg gratings in multicore fiber. BGPP. , JWA39(2007).
- Lindley, E., et al. Core-to-core uniformity improvement in multicore fiber Bragg gratings. Proc. SPIE. 9151, 91515F(2014).
- Lindley, E., et al. Demonstration of uniform multicore fiber Bragg gratings. Opt. Express. 22 (25), 31575-31581 (2014).
- 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).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
