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Artigo de método

In-situ Tapering de fibra chalcogenide para Geração supercontinuum infravermelho médio

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DOI:

10.3791/50518

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27 de maio de 2013

 ,  ,  , 
1Edward L. Ginzton Laboratory, Stanford University

Neste artigo

Resumo

Descreve-se um método para In-situ Afinando de Como 2 S 3 Fibras para alcançar geração supercontínuo infravermelho médio eficiente. Por afinando enquanto monitora o espectro do supercontínuo, a largura espectral pode ser maximizada por um cone de fibra. In-situ Fibra afilamento pode ser aplicado para optimizar o desempenho de outros dispositivos de fibra óptica.

Resumo

Supercontínuo geração (SCG) em uma fibra chalcogenide cônico é desejável para a ampliação do infravermelho médio (ou mid-IR, aproximadamente o comprimento de onda 2-20 mm) pentes de freqüência 1, 2 para aplicações como fingerprinting molecular, 3 de detecção de gases, 4 aceleração de partículas a laser orientado, 5 e de raios-x de produção por meio de geração de harmónicas de alta 6. Atingir SCG eficiente numa fibra óptica afunilada requer um controlo preciso da dispersão da velocidade de grupo (GVD) e as propriedades temporais dos impulsos ópticos no início do fibra de 7, o que depende fortemente da geometria do cone. 8 Devido a variações na configuração e afilar procedimento para a SCG experiências sucessivas, tais como comprimento das fibras, afilando temperatura ambiente, ou da potência acoplado à fibra, a monitorização in situ espectral de o SCG é necessário otimizar o espectro de saída para um único experimento.

Fibra in situ afilada para a SCG consiste no acoplamento da fonte de bomba através da fibra a ser afunilada para um dispositivo de medição espectral. A fibra é então afunilada enquanto que o sinal de medição espectral é observada em tempo real. Quando o sinal atinge o seu pico, a redução gradual está parado. O processo de afunilamento in situ permite a geração de um, oitava-medindo, pente de frequência média-IR estável do sub harmónica de um pente de frequência infravermelho próximo disponível comercialmente. 9 Este método reduz os custos, devido à redução do tempo e materiais necessários para o fabrico de um cone com um comprimento óptimo da cintura de apenas 2 mm.

A técnica de afilamento in situ pode ser estendido para optimizar fibra óptica microtexturizada (MOF) para a SCG 10 ou a sintonização de banda passante de MOF, 11 pares de fibras optimização afuniladas para acopladores de fibra fundida 12 e multiplexadores de divisão de comprimento de onda (WDMs), 13ou modificação de compensação de dispersão para compressão ou alongamento de pulsos ópticos. 14-16

Introdução

Depois de ter sido produzido pela primeira vez no intervalo de comprimento de onda visível 1,7 fontes SCG têm se deslocado para o meio-IR, em grande parte impulsionado por aplicações em espectroscopia. 3, 4 fibras chalcogenide, que incluem sulfetos, selenetos e teluretos, ter sido um material popular para meados da década de IR devido à sua baixa perda de propagação e alta não-linearidade, 18 a menos de 100 dB / km e 19 ~ 200 vezes maior que a de sílica para As 2 S 3, 20 respectivamente. No entanto, o comprimento de onda da maioria dos GVD nulo calcogenetos localiza-se em meados da década de IR, para além do centro do comprimento de onda da maioria das fontes disponíveis bombas ultra-rápida, tornando SCG desafio num material a granel ou a um único modo de fibra calcogeneto padrão. Dispersão de guia de onda pode ser utilizado para modificar o ponto de GVD zero para a SCG. 7 Métodos para a introdução da dispersão de guia de onda de fibra forte incluem afilada, 8, 21, usando fibras, 22-24 ou microestruturadasainda uma combinação dos dois. 10 Ao deslocar o comprimento de onda abaixo de zero GVD o comprimento de onda da bomba, a bomba vai experimentar dispersão anómala na fibra. No regime de dispersão anômala, formação soliton ocorre por meio de equilibrar o chirp linear causada por modulação de fase eu eo chirp linear causada por GVD. Para uma fonte de bomba femtosecond, alargamento espectral é normalmente dominado por cisão ou quebra de soliton pulso, que ocorre depois de uma compressão temporal do impulso inicial, como se propaga ao longo da fibra. 7 No caso da fibra de afunilamento, o cálculo do total de GVD, incluindo tanto material quanto dispersão da guia de onda pode fornecer uma aproximação do diâmetro do cone final necessário para produzir um espectro significativamente alargado. Devido a forte dependência da GCS em GVD e flutuações entre ensaios experimentais, incluindo alterações no comprimento da fibra antes da região afunilada e o acoplamento da bomba com a fibra, a aproximação de f calculado não é suficienteou alcançar um cone otimizado em um único julgamento. Monitoramento espectral permite essas variações na configuração experimental a serem observadas e contabilizadas em afinando in-situ.

Além disso, a geração de um supercontínuo eficiente (SC) numa fibra curta afunilado reduz a quantidade de ruído a amplificação não linear preservar a coerência do SCG e as propriedades da fonte de bomba de comb frequência. 25-27 gestão adequada dispersão e, portanto, a necessidade de, em situ afilada, torna-se ainda mais crítica quando o comprimento da fibra é curto, tal como as escalas de tolerância SCG com comprimento.

A configuração afilada in situ começa com a fonte da bomba, que é a subharmônica de um mode-locked de fibra dopada com Er, 9, acoplado ao núcleo da A 2 S 3 fibra que vai ser afunilada. A saída da fibra é então acoplado a um dispositivo que caracteriza o perfil espectral. Nas experiment, de um detector de InSb após um monocromador com ~ 20 nm de resolução é usado para monitorar uma porção do espectro de saída, onde não existe inicialmente um sinal muito baixo a partir da fonte da bomba (em ~ 3,9 mm) de modo a que a fibra pode ser monitorizada, enquanto afinando. Quando a fibra é afunilada e alarga o espectro, a medição do espectro de sinal aumenta medida que a dispersão é optimizado para a experiência individual. Através da monitorização do espectro, durante o processo de afunilamento, afilada pode ser parada no momento em que o alargamento espectral foi maximizada. Afilamento in situ permite a gestão optimizada de dispersão para a SCG eficiente num cone de fibra. Afinando com uma zona de calor estreito estática produz um cone de fibra curta de cintura, 28, que permite a SCG baixo nível de ruído. Juntos, estática in-situ afinando pode ativar coerente, de baixo ruído, oitava-medindo SCG em meados da década de IR.

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Protocolo

1. Afinando Fabricação de Instalação (Consulte Configuração montado na Figura 1)

  1. Fixar as fases lineares motorizados na placa de montagem (aproximadamente centrado), de modo que as fases estão em contacto e, se traduzirá em direcção e para longe uma da outra
  2. Preparar e colocar os suportes de fibra
    1. Anexar dois postos ópticas para as placas de fase lineares motorizados (um de cada), utilizando os furos mais próximos uns dos outros.
    2. Fixe os suportes de fibra óptica nua para os topos dos postes. Certifique-se de que o V-grooves para a fibra estão alinhados. (Nota: a altura das montagens de fibra óptica nua dá mais ou menos a altura do feixe do sistema Escolher o futuro pós e alturas pedestal em conformidade.).
  3. Preparar e colocar a entrada e saída de elementos de acoplamento
    1. Prenda as etapas de tradução lineares para as fases lineares motorizados (uma para entrada e outra para o lado da saída) com as placas adaptadoras.
    2. Coloque a AR revestido ZnSe entrada acoplamento lens (montado em um suporte óptico com x e y tradução em um pedestal) na fase de tradução de entrada. Escolher uma distância focal, que dá acoplamento óptima a partir da fonte da bomba para o núcleo da fibra. Certifique-se o centro da lente está na mesma altura que o V-ranhuras das braçadeiras de fibras.
    3. Coloque o ZnSe lente de acoplamento de saída não revestido (montado em um suporte óptico com x e y tradução em um pedestal) na fase de tradução de saída. Certifique-se o centro da lente está na mesma altura que o v-ranhura.
  4. Preparar e colocar o elemento de aquecimento (conforme mostrado na Figura 2)
    1. Máquina o bloco de alumínio com as dimensões desejadas (~ 6 milímetros x 25,4 mm x 17,5 mm), com furos para a fibra (com uma fenda para a inserção e remoção da fibra) e para a monitorização da temperatura da fibra, furos para os aquecedores de cartucho, e 8 / 32 bateu furos na parte superior e inferior para montagem e fixação das resistências.
    2. Insira os aquecedores de cartucho de tele apropriados furos do bloco de alumínio e prenda-os com 8/32 parafusos.
    3. Anexar um posto de cerâmica para o parafuso superior 8/32 set para o isolamento térmico.
    4. Anexar uma pós óptico para o posto de cerâmica e usar um poste de fixação do ângulo direito com um posto óptico adicional para garantir um aquecedor para a fase linear XYZ.
    5. Fixar a fase linear XYZ à placa de montagem de modo a que o orifício para o S 2 A 3 de fibra no aquecedor de alumínio pode ser centrada com o V-ranhuras das braçadeiras de fibras.
    6. Traduzir o aquecedor de alumínio com a fase linear XYZ, de modo que o aquecedor não está mais perto dos grampos de fibras ópticas nus, permitindo que a fibra a ser assegurado sem obstrução.

2. Chalcogenide Preparação Fiber

  1. Embebe-se um comprimento desejado do encamisado A fibra 2 S 3 (devem ser mais longos do que 8,5 centímetros de comprimento o-encamisado fibra necessária para cada cone da fibra) em acetona durante cerca de 10 minutos ou até que ocasaco torna-se macio. (Utilize-se o solvente adequado para o revestimento se utilizando uma fibra diferente).
  2. Suavemente remover o revestimento amolecido com um Kimwipe, a remoção de uma secção de não mais que 5 cm de cada vez.
  3. Limpar a fibra nua com isopropanol numa kimwipe.
  4. Utilizar a beavertail talhador para clivar uma extremidade do A fibra 2 S 3. Imagem da ponta da fibra descartado para inspecionar a qualidade decompor.
  5. Medir e quebrar pelo menos um de 6,35 cm pedaço de fibra de comprimento. Este comprimento da fibra tem de ser aproximadamente 2 cm de comprimento do que o comprimento necessário para a fibra para apenas ficar fora das presilhas de fibra.
  6. Utilizar a beavertail talhador para clivar a segunda extremidade da fibra. Imagem da ponta da fibra descartado para inspecionar a qualidade decompor. Evitar o contacto com a primeira extremidade clivada da fibra.
  7. Coloque a fibra nos grampos de fibras de configuração afilada. Evitar tocar no centro da fibra (em que a fibra será aquecida).

3. Torneira fibra in siturando Procedimento

  1. Par a fonte bomba meados de IR para o modo fundamental da fibra com a lente de ZnSe revestido AR (f = 12,7 mm). Utilizar a lente ZnSe revestidos (f = 20 mm) para a imagem da faceta da fibra com o Pyrocam para assegurar a alimentação é principalmente no modo fundamental de saída. Certifique-se de que a bomba está a propagação do feixe ao longo do eixo da fibra. Se não é, o acoplamento vai mudar quando as fases motorizadas começam a mover-se.
    1. Coloque um triturador em frente à fonte de bomba. (Este passo é necessário para AC detectores acoplados).
    2. Acoplar a saída da fibra através do monocromador e do detector utilizando os InSb CAF não revestidos duas lentes (f = 20 mm), antes e depois do monocromador.
    3. Girar a grade do monocromador para permitir que o lado mais longo do espectro de comprimento de onda para passar através do monocromador até que o sinal transmitido é pouco acima do ruído de fundo (em ~ 3,9 mm). Em vez de filtroção com o monocromador (passos 3.2.2 e 3.2.3), um filtro óptico adequado pode ser usado para medir a potência de comprimentos de onda detectáveis ​​mais longo que o comprimento de onda mais longo que o conteúdo mensurável da bomba.
  3. Traduzir o aquecedor de alumínio, até a fibra desliza através da fenda e é centrado no furo da fibra do aquecedor de alumínio.
  4. Coloque o nível sensor RTD com um dos aquecedores de cartucho. Pressionar suavemente o sensor RTD contra o aquecedor de alumínio de modo que ele fica em contacto com o bloco como mostrado na Figura 2. Se o RTD não está em contacto com o aquecedor de forma (ou não de uma forma reproduzível), a temperatura do bloco irá ser desconhecido e provocar a ruptura da fibra durante afilamento. Certifique-se de que o sinal para o monocromador não diminuiu.
    1. Uma pequena RTD pode ser colocado dentro do outro orifício do bloco de aquecimento para controlar a temperatura no buraco. (Opcional)
  5. Use o microscópio digital para imago fibra no bloco aquecedor para permitir a monitorização da fibra durante o processo de afunilamento. (Opcional)
  6. Cubra com a configuração de uma caixa (com orifícios para a entrada e saída de feixes), para reduzir o fluxo de ar e permitem a temperatura afilando estábulo.
  7. Com os aquecedores de IDT e cartucho conectado, ligue o controlador de temperatura. Ajustar a temperatura para aproximadamente 200 ° C, onde a fibra começa a amolecer (a temperatura exacta depende das dimensões do aquecedor, a temperatura ambiente, e o fluxo de ar em torno da fibra).
  8. Quando a temperatura é estável em torno do ponto de ajuste, iniciar o programa Labview que traduz os estágios motorizados longe um do outro em ~ 10 mM / s em cada direção.
  9. Monitoriza o sinal do detector de InSb, que é o sinal de medição espectral. Uma vez que o sinal do detector atinge o seu valor máximo (tome cuidado para não saturar o detector), pare os estágios motorizados e desligar os aquecedores de cartucho (controlador de temperatura).
  10. Aguardar ~ 10 min para a fibra para solidificar (o sinal do detector irá diminuir um pouco durante este processo, o mais provável devido à dependência da temperatura do índice de refracção ou contracção térmica).
  11. Traduzir o bloco aquecedor ao longo da fibra no sentido de uma braçadeira de fibra em que a fibra é cilíndrica. Em seguida, a traduzir o bloco aquecedor de distância a partir da fibra através da fenda no bloco de aquecimento para permitir que a fibra de passar.
  12. Caracterizar a SCG através de medidas espectrais com o monocromador. Um filtro de InAs pode ser necessária para medir com precisão a parcela de longo comprimento de onda do espectro.
  13. Remover a fibra, se desejado.

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Resultados

Após a conclusão do processo de afunilamento in situ, o espectro ampliado para cobrir bomba 2,2-5 um (a ~ 40 dB abaixo do pico), como pode ser visto na Figura 3. A energia de pulso da bomba no As 2 S 3 da fibra foi de ~ 250 pJ com um comprimento de pulso inicial abaixo de 100 FSEC. A curta duração da cintura afilada, ~ 2,1 milímetros, permite a geração de uma banda larga, SC coerente. Isso preserva as propriedades da fonte de bomba de comb frequência. Mais informações sobr...

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Discussão

Demonstrámos a novel procedimento afilamento fibra e verificada a sua validade efectuando SCG em meados da década de IR. Para o melhor de nosso conhecimento, o método alternativo para essa aplicação se baseia na determinação do comprimento puxando fibra necessário para criar um diâmetro da fibra cônico que acrescenta bastante dispersão de guia de onda para otimizar SCG no cone de fibra através de cálculo, no entanto, uma vez que o comprimento puxando necessário para maximizar o alargamento espectral para um determinado ...

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Divulgações

A patente dos Estados Unidos provisório foi apresentado proteger a tecnologia divulgada neste artigo.

Agradecimentos

Os autores gostariam de agradecer G. Shambat, C. Phillips, K. Aghaei para discussões inestimáveis, F. Afshinmanesh para SEM imagens, T. Marvdashti de apoio experimental, e MF Churbanov e GE Snopatin do Instituto de Química de alta pureza Substâncias e VG Plotnichenko e EM Dianov do Centro de Pesquisa de Fibra Óptica da Academia de Ciências da Rússia para fornecer o As 2 S 3 fibra. Agradecemos também o apoio do Escritório de Pesquisa Naval, NASA, o Instituto de Investigação Científica, Agilent, eo Technologies Escritório Conjunto da Força Aérea.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Estágios lineares motorizadosNewportMFA-PPDDisponível de outros fornecedores.
Controlador de Palco MotorizadoNewportESP301Disponível de outros fornecedores.
Bloco de alumínioQualquer fornecedor.As dimensões variam dependendo do comprimento do cone desejado.
Sensor RTDOmega1PT100GX1510
Aquecedores de cartuchoOmegaCSS-01115/120V
Controlador de temperaturaOmegaCSC32
Acoplamento de entrada Estágio de tradução linearCVI07TXS224Disponível em outros fornecedores.
Estágio de Tradução Linear de Acoplamento de SaídaNewport422-1SDisponível de outros fornecedores.
Estágio de tradução linear XYZNewport461Disponível de outros fornecedores.
Postes variados, montagens ópticas, bases e garfosQualquer fornecedor.
Placa de ensaio ópticaThorlabsMB12Disponível de outros fornecedores.
Acoplamento de entrada ZnSe LensThorlabsAL72512-EDisponível de outros fornecedores. A distância focal do acoplamento de entrada depende da fonte da bomba e do diâmetro do campo do modo de fibra.
Acoplamento de saída Lente ZnSe EdmundOpticsNT62-961Disponível em outros fornecedores.
CaixaQualquer tipo serve.Deve ser grande o suficiente para permitir o movimento do palco. Precisa de aberturas para acoplamento de entrada e saída de luz.
Poste óptico de cerâmicaQualquer fornecedor.
Microscópio DigitalQualquer fornecedor.opcional.
Grampos de mesaThorlabsCL5Disponível em outros fornecedores.
Grampos de fibra nuaThorlabsHFF003Disponível em outros fornecedores.
Tabela 1. Tapering Setup Materials.
As2S3 Centro dePesquisa de Fibra Óptica de Fibra Óptica Optical Fiber da Academia Russa de CiênciasDisponível em outros fornecedores, como CorActive.
Ferramentas de rede de fibrade castorS-315Disponível em outros fornecedores. As pontas de fibra de clivagem ou polimento manual também podem produzir pontas de fibra de alta qualidade.
KimWipesKimberly-Clark Professional34120Disponível de outros fornecedores.
Acetona, IsopropanolQualquer fornecedor.
Tabela 2. Materiais para preparação de fibras calcogenetas.
PyrocamOphir PhotonicsPyrocam III SeriesQualquer câmera com sensibilidade no comprimento de onda da bomba funcionará.
MonocromatorPhoton Technology InternationalFoi utilizada uma grade de 100 linhas/mm. Qualquer dispositivo de medição espectral funcionará (por exemplo filtro passa-longo).
Lentes CaF2ThorlabsLB5922Disponível de outros fornecedores.
InAs FilterQualquer fornecedor.Disponível em outros fornecedores.
Detector InSb amplificadoHamamatsuP4631-03Disponível em outros fornecedores.
ComputadorQualquer fornecedor.
DAQNational InstrumentsUSB X Series
Software Labview para palcos motorizadosNational InstrumentsOpcional. Programa personalizado.
Software Labview para coleta de dados do detectorNational InstrumentsOpcional. Programa personalizado.
Postes variados, montagens ópticas, bases e garfos
" Espelhos douradosQualquer fornecedor.
Chopper e controladorQualquer fornecedor.SRS Modelo SR540Opcional. Depende do detector que está sendo usado.
Tabela 3. Materiais para In-situ Procedimento de Redução Gradual.
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Referências

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