Escrevendo redes de Bragg em fibras Multicore

Resumo

Descrevemos uma técnica para inscrever grades de Bragg de fibra idêntica em cada núcleo de uma fibra multicore. Isso é obtido introduzindo uma superfície adicional no caminho óptico para mitigar as lentes pela superfície curva do revestimento da fibra.

Resumo

Fiber As grades de Bragg em fibras multicore podem ser usadas como filtros compactos e robustos em aplicações astronômicas e outras aplicações comerciais e de pesquisa. A forte supressão em um único comprimento de onda requer que todos os núcleos tenham perfis de transmissão correspondentes. Essas grades não podem ser inscritas usando o mesmo método das fibras unipolares porque a superfície curva do revestimento atua como uma lente, focalizando o feixe de laser UV que entra e causando variações na exposição entre os núcleos. Portanto, usamos um elemento óptico adicional para garantir que a forma do feixe não mude ao passar pela seção transversal da fibra multipolar. Este consiste em um tubo capilar de vidro que foi polido de um lado, que é então colocado sobre a seção da fibra a ser inscrita. O feixe de laser entra na fibra através da superfície plana do tubo capilar e, portanto, mantém suas dimensões originais. Este artigo demonstra as melhorias na uniformidade núcleo a núcleo para uma fibra de 7 núcleos usando este método. A técnica pode ser generalizada para fibras multicore maiores.

Introdução

Grades Bragg de fibra (FBGs) são amplamente utilizados como filtros de banda estreita devido ao fato de que pode ser personalizado para um grande número de aplicações ^1. Eles não se limitam a supressão de comprimentos de onda individuais; complexo espectros de transmissão pode ser criado através da utilização de variações do índice de refracção aperiódicos ^2. Uma limitação é que GBFs só pode ser inscrito em fibras monomodo (SMFs), tal como o comprimento de onda que é suprimido para um dado período de reticulação depende da constante de propagação. Em uma fibra multimodo (MMF), em que cada modo tem uma constante de propagação diferente, o comprimento de onda para cada modo suprimida é diferente e, portanto, a grade não dá supressão forte em qualquer comprimento de onda único.

O ímpeto para esta experiência vem da astronomia. Sob condições limitadas vê, acoplamento direto em um SMF é difícil e ineficiente; óptica adaptativa extremas são obrigados a fazê-lo ^3. Devido a isto, são FMM Tipocamente usados ​​aquando da recolha de luz a partir do plano focal do telescópio ^4. Por conseguinte, a fim de manter a funcionalidade disponível apenas para SMF, é necessário ter uma conversão eficiente entre SMF e FMM. Isto é tornado possível com a lanterna fotónica, um dispositivo que consiste de uma porta multimodo ligado a uma matriz de SMF através de um cone de transição ^5. Lanternas Photonic foram usadas no instrumento GNOSE, em que o SMF continha GBFs para remover linhas de emissão atmosférica (causada por radicais OH e outras moléculas) a partir de observações do infravermelho próximo ^6. As desvantagens de usar, SMFs single-core individuais para essa tarefa são de que eles devem ser escritos um por um e emendados individualmente no trem óptico, o que requer um tempo significativo e esforço manual. A técnica descrita neste artigo tenta resolver estes problemas, utilizando um formato de fibra mais complexa para fornecer a funcionalidade de modo único.

O suppr OH próxima geraçãoinstrumento ESSÃO PRAXIS ⁷ vai fazer uso de fibras multi-core (MCFs). Estas fibras conter qualquer número de núcleos individuais-moded incorporados num único revestimento. A vantagem desta abordagem é que o MCF pode ser afunilada para um MMF com a lanterna fotónica resultante ser uma unidade auto-contida compacto e robusto. No instrumento completada, a luz do telescópio vai ser acoplada à porta de MMF da lanterna; a transição cone vai separar essa luz para os núcleos de modo único onde ele vai passar pelo FBGs. Após a filtragem de comprimentos de onda da luz remanescente é disperso, a um detector, os espectros recolhidos.

Usando MCFs também acelera o processo de escrita grades, como todos os núcleos pode ser inscrito em uma única passagem. No entanto, o processo de gravação deve ser modificado de modo a assegurar que todos os núcleos têm as mesmas características de reflexão. Isto é porque a superfície curva do revestimento actua como uma lente durante lado-a escrita das GBFs, resulting em um campo UV que varia em poder e direção em cada núcleo se o método de lado a escrita padrão é usado. Assim, cada núcleo terá um perfil de transmissão diferente, e a fibra não irá proporcionar a supressão forte a um único comprimento de onda ^8.

Um grupo no Laboratório de Pesquisa Naval experimentou modificar a distribuição e fotossensibilidade de núcleos para cancelar os efeitos dessa variação ^9. A desvantagem de usar essa abordagem é que a fibra deve ser redesenhado para cada combinação de tamanho de revestimento, tamanho do núcleo, número de núcleos e composição química. Além disso, a falta de simetria axial nos desenhos resultantes significa que o MCF não pode ser eficazmente afunilada numa MMF com um núcleo circular. Este papel detalha uma abordagem diferente ao problema: modificando o campo no interior da fibra por ter que passar através de uma superfície plana em vez de ser directamente incidente sobre o revestimento curvo. Usando essa abordagem resulta em umatécnica que é transferível para uma variedade de modelos e tamanhos MCF, particularmente as fibras axialmente simétricas que queremos incorporar lanternas fotônicos.

Para criar a superfície plana necessária, o MCF é colocado dentro de um tubo capilar transparente ao UV que tenha sido triturado e polido de um lado para dar uma parede exterior plana. Um pequeno intervalo deve ser deixado entre a fibra e capilar, uma vez que este último pode conter ± 10 um de diâmetro variações. Veja a Figura 1 para uma representação. Este documento descreve o procedimento experimental para escrever FBGs desta maneira e fornecer exemplos de possíveis melhorias. Para mais informações veja simulações previamente publicados ¹⁰ e resultados experimentais ^11.

Figura 1. Diagrama do tubo capilar polido tal como utilizado no produto FBGde iões. O MCF é colocado no interior do tubo capilar. A diferença entre os dois deve ser pequeno, mas permitir a pequenas variações de diâmetro. A luz UV que passou através da máscara de fase, em seguida, entra no sistema através do lado plano do tubo capilar. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Protocolo

1. Preparação de Polido Capilar Tubes (ANFF OptoFab)

1. Obter tubos capilares de vidro com diâmetro interno estreitamente alinhados ao diâmetro da fibra. O mais próximo em tamanho, melhor o desempenho, mas assegurar que uma variação de ± 10 um de tamanho capilar é permitido para. Remova todos os revestimentos de proteção dos tubos capilares. Raspar revestimentos com uma lâmina de barbear para removê-los sem danificar os tubos.
2. Taper os tubos capilares a um diâmetro menor, se necessário. Use uma máquina de afilamento automática controlada por computador, se disponível.
   1. Garantir um comprimento de tubo com grampos em cada extremidade.
   2. Aquece-se a capilaridade ao ponto de fusão uniformemente em torno do seu diâmetro utilizando um filamento quente localizado entre os grampos.
   3. Desenhar o capilar por meio do elemento de aquecimento com uma tensão constante, até o comprimento desejado foi afunilada com o diâmetro menor.
3. Cortar o tubo capilar em aproximadamente igual wi comprimentosth uma ferramenta de corte de vidro. Certifique-se de que estes são pelo menos 2 cm mais longo do que o comprimento ralar pretendido, mas pequenas o suficiente para caber dentro do polimento equipamentos usados. Nota: Para esta experiência, foi usado um comprimento capilar de 7 cm.
4. Anexar 8-10 comprimentos dos capilares para um disco de vidro usando cola curável por UV. Instalar o disco em um gabarito compatível com a máquina de polimento / polimento.
5. Usar a máquina de polimento / polimento para moer as paredes expostas dos tubos capilares a uma superfície plana. CUIDADO: Não inalar grit solto. Nota: O elemento abrasivo é _de Al ₂ O ₃ numa suspensão de água de osmose reversa purificada.
   1. Usar 25 uM grit até que a espessura restante da parede do capilar é de aproximadamente 70 uM. Use de um micrómetro para medir o deslocamento do dispositivo de fixação durante a moagem e, portanto, a quantidade que tenha sido removido.
   2. Alternar a 5 um grão e de moer até que a espessura restante da parede é de cerca de 50 um.
6. Use o marulhar / máquina de polimento para polir a superfície achatada por pelo menos 3 horas, com alta pureza sílica coloidal em dispersão alcalina (NaOH). Nota: Esta restaura a superfície de qualidade óptica. A sílica pode ser impedido de se solidificar por adição de 1 parte de NaOH a 0,004 M a 3 partes de solução de polimento.
7. Separa-se os tubos capilares a partir do disco que prende por imersão durante a noite em acetona.
8. Examinar os tubos capilares em ambas as extremidades com um microscópio com aumento de 10x de verificar a espessura da parede. Nota: A qualidade capilar boa terá uma parede fina e uniforme (~ 50 mm) ao longo do seu comprimento.

2. Criação de Grades

1. Hidrogena-se a MCF para aumentar a fotossensibilidade.
   1. Coloque as fibras a serem hidrogenados em uma câmara estanque. CUIDADO: Garantir a câmara está firmemente aparafusado, devido à presença de gases pressurizados.
   2. Bomba de alta pureza H ₂ dentro da câmara. Uso _N2 de gás como um reforço para aumentar a pressão.
   3. Deixar as fibras dentro da câmara por um período prolongado: 2 semanas a 300 bar e a temperatura ambiente, ou 3 dias a 380 bar e 80 ° C.
   4. Ventilar os gases provenientes da câmara e remover as fibras. CUIDADO: Certifique-se o quarto é bem ventilado. Os gases podem actuar como uma asfixia, ou o risco de fogo, no caso de H _2.
   5. Manter as fibras em um congelador com temperatura de -70 ° C ou abaixo até que eles são utilizados. Isto atrasa a taxa de libertação de gás hidrogénio e preserva o aumento da fotossensibilidade.
2. Tira o revestimento protetor do MCF. Tira MCFs do mesmo tamanho que SMFs com uma stripper de fibra SMF padrão; caso contrário, raspar o revestimento com uma lâmina de barbear. Remover o revestimento a partir da região em que a grelha é para ser escrito, todo o caminho até à extremidade da fibra.
3. Inserir a extremidade descarnada da fibra no interior do tubo capilar, e o tubo de deslize ao longo da fibra de modo que cubra a região ab e inscrito.
4. Coloque em óculos de UV-protetora. Monte da fibra na fase de movimento que exerce a máscara de fase, com o lado plano do tubo capilar em ângulo para a máscara de fase. Assegurar a fibra é posicionado dentro do padrão de interferência criado pela máscara, mas não tocando a máscara propriamente dita como isto pode causar danos.
5. Alinhar o laser de 244 nm, de modo que o feixe é perpendicular à superfície plana da máscara de fase. Assegure-se que a fibra, pelo menos, recebe de 90 mW de potência de laser.
6. Expor um comprimento de 4 cm a fibra para o padrão de interferência de UV, movendo a máscara de fibra e de fase em conjunto em relação ao feixe de entrada a uma velocidade de 0,25 mm / min.
7. Remover o tubo capilar a partir da fibra.
8. Emparelhar as grades a 110 ° C durante 20 horas para estabilizar a resposta do comprimento de onda. Nota: Este passo é opcional, a grade vai estabilizar, por si só ao longo de cerca de três dias, mas de recozimento faz com que o processo mais rápido.

e_title "> 3. Análise de espectros

1. Clivar ambas as extremidades da fibra. Use uma faca de fibra que permite ao usuário definir tanto o diâmetro da fibra e tensão para garantir uma superfície de extremidade plana.
2. Iluminar uma extremidade da fibra utilizando um laser sintonizável, com um comprimento de onda central de aproximadamente combinado com o comprimento de onda Bragg.
3. Ligue uma câmara CCD a um PC com o software de controle para exibir e gravar a saída da fibra. Imagem a saída da fibra com a câmera CCD, usando uma lente objetiva do microscópio com ampliação de 50x na frente da câmera para garantir que todos os núcleos cobrir vários pixels CCD. Nota: Os passos seguintes 3.4.1 - 3.5.5 são específicas para o software personalizado usado pelos autores e representam apenas um método de captura de espectros.
   1. Selecione uma região circular de pixels correspondentes a cada núcleo, clicando nos centros de núcleos como eles aparecem na imagem no software de controle. Introduzir o diâmetro dos núcleos em unidades de pixels na 'comprimento ou o diâmetro &# 39; campo.
   2. Grave os valores de pixel registradas pela câmera para as regiões selecionadas. Somar os valores para todos os pixels que cobrem um determinado núcleo para quantificar a taxa de transferência total nesse comprimento de onda.
4. Ligue o laser ajustável para o PC de controle para que observações e coleta de dados pode ser automatizado.
   1. Introduza um comprimento de onda de cerca de 5 nm abaixo do comprimento de onda Bragg no campo "Iniciar Wavelength".
   2. Definir o incremento de comprimento de onda do laser para 0,01 nm no 'Scan - Passo "campo. Nota: Ajuste o atraso entre as etapas para pelo menos 300 ms para que lasing é estável em cada comprimento de onda antes das medições são gravadas e o passo comprimento de onda próximo ocorre.
   3. Introduza um comprimento de onda de cerca de 5 nm maior do que o comprimento de onda Bragg no campo 'End Wavelength ".
   4. Clique no botão "Digitalizar Automatic 'para definir o laser para o início Wavelength definido e aumentar o comprimento de onda pelo incremento escolhido pelo reguintervalos de tempo Lar.
   5. Grave a intensidade transmitida através de cada núcleo para cada etapa do comprimento de onda. Exportar os valores calculados para um arquivo de texto, permitindo que o "arquivo de texto Save 'opção.
5. Repita o exame pelo menos 3 vezes e calcular a média dos dados de todas as corridas.
6. Lote transmitida potência contra comprimento de onda para cada núcleo para gerar um conjunto de espectros.
   1. Comparar os espectros de todos os núcleos para confirmar se que eles têm as mesmas características de supressão. Verifique se o comprimento de onda central, profundidade e largura de banda de cada partida ralar.

Resultados

A eficácia desta técnica é melhor demonstrada pela comparação das grades de fibra com vários núcleos de Bragg (MCFBGs) que resultam da exposição com e sem o capilar. A Figura 2 mostra as características de transmissão de um 7-núcleo MCF exposta usando o método padrão para o SMF, com indivíduo Os espectros do núcleo representados por cores diferentes. Não é mínima sobreposição entre os comprimentos de onda reprimidas, e Core # 5 recebeu a exposição mais fraca, resultando ...

Discussão

As Figuras 2 e 3 em conjunto mostram que a introdução do tubo capilar polido (PCT) ao escrever grades é suficiente para melhorar a uniformidade do núcleo espectros no MCFBG. O resto do processo de inscrição é praticamente inalterada a partir de métodos estabelecidos para a criação de grades SMF e podem ser usados ​​com a maioria dos sistemas de escrita FBG existentes. Daí a preparação de PCTs conforme descrito na seção 2 do protocolo é mais crítica para melhorar MCFBG uniformidade. Os m...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Fibra multicore	Fujikura Ltd.		7 núcleos com diâmetro 5.5  µ m, separação do núcleo 35  µ m, dispostos hexagonalmente dentro de 125 µ m revestimento, NA = 0.177
Máquina de cônica de vidro	Vytran	GPX-3000
UV laser	Coherent	300 FreD Innova	Frequência dobrada 244  nm, pelo menos 150 mW de saída. CUIDADO: danos oculares; use óculos apropriados
Máscara de fase	Lasiris	PM-244-1069.50-50.8	Componente personalizado, período de grade de 1069,50 nm, espessura de 5,08 mm
Tubos capilares	Polymicro	TSP200794	Diâmetro interno 200 µ m, diâmetro externo 794 µ m
Máquina de lapidação	Logitech	PM5	Combinação moedor/polidor
Cola curável por UV	Norland	NOA-61	Cura rapidamente, removível com acetona
Microgrit	Eminess		Al2O3: 25 µ m e 5 µ m tamanho de partícula
Fluido de polimento	Eminess	ULTRA-SOL 500S	SF-500S-5, ULTRA-SOL 500S N/D, 5 GAL
Hidróxido de			0.004  M
Cutelo de fibra	Vytran	LDC-400
Laser sintonizável	JDS Uniphase	SWS15101
IR Camera	Xenics	XEVA-1429	320x256 pixel, resolução de 16 bits
Forno	Thermoline Scientific	LDO-030N	Para recozimento em T = 110  ° C
Gás hidrogênio	BOC		Para hidrogenação de fibras. CUIDADO: gás inflamável e pressurizado
Gás nitrogênio	BOC		Booster para hidrogenação. CUIDADO: lâminas
pressurizado

sódio de barbear de acetona a gás