Skrive Bragg Gitter i Multicore Fibers

Introduction

Fiber Bragg gittere (fiber Bragg gitterne) er mye brukt som smalbåndsfiltre på grunn av det faktum at de kan tilpasses til et stort antall applikasjoner ^1. De er ikke begrenset til å undertrykke enkeltbølgelengder; komplekse overføring spektra kan lages ved bruk av aperiodic brytningsindeks variasjoner ^2. En begrensning er at fiber Bragg gitterne bare kan innskrevet i enkeltmodusfibre (SMFs), som den bølgelengde som er undertrykt i et gitt gitter Perioden avhenger av forplantningskonstanten. I en multimodusfiber (MMF), hvor hver modus har en annen utbredelseskonstant, er undertrykt bølgelengde for hver modus er forskjellig og følgelig gitteret ikke gir sterk undertrykkelse ved en enkelt bølgelengde.

Drivkraften for dette eksperimentet kommer fra astronomi. Under seeing-begrensede betingelser, er direkte kobling til en SMF vanskelig og ineffektivt; ekstreme adaptiv optikk er pålagt å gjøre det ^tre. På grunn av dette, MMFs er typmatisk brukes når du samler lys fra teleskopet fokalplanet ^4. Derfor for å holde funksjonaliteten tilgjengelig bare for SMFs, er det nødvendig å ha effektiv konvertering mellom SMFs og MMFs. Dette er gjort mulig med den fotoniske lykt, en anordning som består av en flermodus port forbundet til en oppstilling av SMFs via en konisk overgang ^5. Fotoniske lanterner ble brukt i GNOSIS instrument, der SMFs inneholdt fiber Bragg gitterne for å fjerne atmosfæriske emisjonslinjer (forårsaket av OH-radikaler og andre molekyler) fra nær-infrarøde observasjoner ^6. Ulempene ved å bruke individuelle, enkelt-kjerne SMFs for denne oppgaven er at de må være skrevet etter tur og hver for seg spleiset inn i den optiske rekken, noe som krever betydelig tid og manuell innsats. Den teknikk som er beskrevet i denne artikkelen forsøker å løse disse svakhetene ved å bruke en mer komplisert fiber format for å tilveiebringe enkeltmodus funksjonalitet.

Den neste generasjonen OH suppression instrument PRAXIS ⁷ vil gjøre bruk av multi-core fibre (MCFs). Disse fibrene inneholder en rekke enkelt moded kjerner innebygd i en enkelt kledning. Fordelen med denne tilnærmingen er at den MCF kan være avsmalnet til en MMF med den resulterende fotoniske lykt som en kompakt og robust selvstendig enhet. I det ferdige instrumentet, vil lyset fra teleskopet bli koblet inn i MMF-porten på lykt; taper overgangen vil skille dette lyset inn i single-modus kjerner hvor det vil passere gjennom FBGene. Etter filtrering bølgelengde de resterende lys er dispergert på en detektor, spektrene samlet inn.

Bruke MCFs også hastigheter opp prosessen med å skrive rister, som alle kjernene kan innskrevet i én omgang. Må imidlertid skriveprosessen modifiseres for å sikre at alle kjerner har samme refleksjonsegenskaper. Dette er fordi den krumme overflate av den optiske kappen virker som en linse i løpet av side-skriving av fiber Bragg gitterne, resulting i et UV-felt som varierer i styrke og retning i hver kjerne hvis standarden side-skriving metoden brukes. Derav hver kjerne vil ha en annen overføringsprofil, og fiberen vil ikke gi sterk undertrykkelse ved en enkelt bølgelengde ^8.

En gruppe ved Naval Research Laboratory eksperimentert med å endre fordelingen og foto kjerner for å avbryte effekten av denne variasjonen ^9. Ulempen med å bruke en slik tilnærming er at fiber må redesignet for hver kombinasjon av kledning størrelse, kjernestørrelse, antall kjerner og kjemisk sammensetning. I tillegg er den manglende aksial symmetri i de resulterende utførelser innebærer at MCF ikke kan effektivt avsmalnet til en MMF med en sirkulær kjerne. Dette papir detaljer en annen tilnærming til problemet: å modifisere felt inne i fiberen ved at det passerer gjennom en flat overflate i stedet for å være direkte innfallende på den buede kledning. Ved hjelp av denne fremgangsmåten resulterer i enteknikk som er overførbar til en rekke MCF utforminger og størrelser, spesielt de aksialt symmetriske fibre som vi ønsker å innlemme i fotoniske lanterner.

For å skape den nødvendige flat overflate, er det MCF plassert inne i en UV-transparent kapillarrør som er blitt slipt og polert på den ene side for å gi en flat ytre vegg. En liten åpning må stå mellom fiber og kapillær, siden sistnevnte kan inneholde ± 10 um variasjoner i diameter. Se figur 1 for en representasjon. Denne oppgaven vil beskrive den eksperimentelle fremgangsmåten for å skrive fiber Bragg gittere i denne måte, og gir eksempler på mulige forbedringer. For mer informasjon se tidligere publiserte simuleringer ¹⁰ og eksperimentelle resultater ^11.

Figur 1. Diagram av polert kapillarrør som anvendt i FBG produktion. MCF er plassert inne i kapillarrøret. Gapet mellom de to bør være liten, men tillate små variasjoner i diameter. UV-lys som har passert gjennom fase masken deretter inn i systemet gjennom den flate siden av kapillarrør. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Protocol

1. Utarbeidelse av Polert Kapillærrør (ANFF OptoFab)

1. Skaff glass kapillarrør med indre diameter tett opptil fiber diameter. Jo nærmere i størrelse, jo bedre ytelse, men sørge for at en ± 10 um variasjon i kapillar-størrelse som er tillatt for. Fjern eventuelle beskyttende belegg fra kapillarrør. Barbere av belegg med et barberblad for å fjerne dem uten å skade rørene.
2. Smalne den kapillarrør til en mindre diameter hvis nødvendig. Bruk en datamaskin-styrt automatisk nedtrapping maskin hvis tilgjengelig.
   1. Sikre en rørlengde med klemmer i hver ende.
   2. Varm opp til kapillær smeltepunkt jevnt rundt dens diameter ved hjelp av en varm glødetråd som ligger mellom klemmene.
   3. Trekke den kapillære gjennom varmeelementet med en konstant spenning inntil den ønskede lengde er blitt avsmalnet til en mindre diameter.
3. Skjær kapillarrør inn omtrent lik lengde with et glass skjærende verktøy. Sørg for at disse er minst 2 cm lengre enn den tiltenkte grating lengde, men små nok til å passe inn i den polering utstyr som brukes. Merk: For dette eksperimentet ble en kapillær lengde 7 cm brukes.
4. Fest 8-10 av kapillær lengder til et glass puck ved hjelp av UV-kureres lim. Installer pucken på en pilk kompatibel med lapping / poleringsmaskin.
5. Bruk lapping / poleringsmaskin å slipe utsatte veggene i kapillarrør til et flatt underlag. FORSIKTIG: Ikke pust løs grus. Merk: slip element er Al ₂ O ₃ i en suspensjon av omvendt osmose renset vann.
   1. Bruk 25 um strø til den gjenværende tykkelse av kapillaren veggen er ca. 70 um. Bruke et mikrometer for å måle forskyvningen av jiggen under slipingen, og følgelig den mengde som er blitt fjernet.
   2. Bytt til 5 um grus og male til den gjenværende tykkelse av veggen er ca. 50 um.
   3. Bruk lapping / polermaskin for å polere den flate overflaten i minst 3 timer med høy renhet, kolloidale silica i alkalisk dispersjon (NaOH). Merk: Dette gjenoppretter overflaten til optisk kvalitet. Silikaen kan bli forhindret fra å størkne ved å tilsette en del 0,004 M NaOH til 3 deler polerings løsning.
   4. Skill kapillarrør fra holding pucken ved bløtlegging over natten i aceton.
   5. Undersøk kapillarrør i begge ender under et mikroskop med 10x forstørrelse for å sjekke veggtykkelsen. Merk: En god kvalitet kapillær vil ha en ensartet tynn (ca. 50 um) vegg langs sin lengde.

   2. Opprettelse av Rister

   1. Hydrogenere MCF å øke fotosensitivitet.
      1. Plassere fibrene å bli hydrogenert til et forseglet lufttett kammer. FORSIKTIG: Pass på kammeret er godt boltet på grunn av tilstedeværelsen av gass under trykk.
      2. Pumpe høy renhet H ₂ inn i kammeret. Bruk _N2
      3. La fibrene inne i kammeret i en lengre periode: 2 uker ved 300 bar og værelsestemperatur, eller 3 dager ved 380 bar og 80 ° C.
      4. Vent gassene fra kammeret og fjerner fibrene. FORSIKTIG: Pass på at rommet er godt ventilert. Gasser som kan virke som asphyxiants eller brannfare i tilfelle av _H-2.
      5. Holde fibrene i en fryser med temperatur -70 ° C eller lavere inntil de blir brukt. Dette bremser hastigheten av hydrogen utgassing og bevarer den økte fotosensitivitet.
   2. Strippe den beskyttende belegget fra MCF. Strip MCFs samme størrelse som SMFs med en standard SMF fiber stripper; ellers barbere av belegget med et barberblad. Fjerne belegget fra det område hvor gitteret skal skrives, hele veien til enden av fiberen.
   3. Før den avisolerte enden av fiberen inn i kapillarrøret, og skyver røret langs fiberen slik at den dekker regionen til b e innskrevet.
   4. Sett på UV-beskyttende briller. Monter fiber på bevegelige scenen som holder fase maske, med den flate siden av kapillarrør vinklet mot den fasen maske. Sørg for at fiber er posisjonert innenfor interferensmønster skapt av masken, men ikke berøre masken selv, da dette kan forårsake skade.
   5. Juster 244 nm laser, slik at strålen er vinkelrett på den flate overflaten av fasemasken. Sørg for at fiber mottar minst 90 mW laser makt.
   6. Eksponere et 4 cm lengde av fiberen til UV-interferensmønster ved å føre fiberen og fasemasken sammen med hensyn til den innkommende stråle med en hastighet på 0,25 mm / min.
   7. Fjern kapillarrøret fra fiberen.
   8. Smeltet gitteret ved 110 ° C i 20 timer for å stabilisere responsbølgelengden. Merk: Dette trinnet er valgfritt som gitteret vil stabilisere seg av seg selv i løpet av ca tre dager, men annealing gjør prosessen raskere.
   e_title "> 3. Analyse av Spectra
   1. Spalter begge ender av fiberen. Bruk en fiber cleaver som tillater brukeren å sette både fiber diameter og spenning for å sikre en flat endeflate.
   2. Belyse den ene enden av fiberen ved hjelp av en avstembar laser med en sentral bølgelengde tilnærmet passer til Bragg-bølgelengden.
   3. Koble en CCD-kamera til en PC med kontroll programvare for å vise og registrere fiber utgang. Bilde fiberen utgang med CCD-kamera, ved hjelp av et mikroskop objektivlinse med 50X forstørrelse foran kameraet for å sikre at alle kjerner dekke flere CCD-bildeelementer. Merk: Følgende trinn 3.4.1 - 3.5.5 er spesifikke for tilpasset programvare som brukes av forfatterne og representerer bare en metode for å fange spektra.
      1. Velg et sirkulært område av piksler som svarer til hver kjerne ved å klikke på sentrene for kjerner slik de vises i bildet i kontrollprogramvare. Angi diameteren av kjernene i enheter av bildeelementer i 'lengde eller diameter-# 39; feltet.
      2. Spill pikselverdiene registrert av kameraet for de utvalgte regionene. Summere verdiene for alle bildepunkter som dekker en gitt kjerne for å kvantifisere den totale gjennomstrømning ved denne bølgelengde.
   4. Koble tunbare laser til kontroll PC slik at observasjoner og datainnsamling kan automatiseres.
      1. Skriv en bølgelengde ca 5 nm under Bragg bølgelengden i 'Start Wavelength-feltet.
      2. Sett bølgelengde tilveksten av laseren til 0,01 nm i "Scan - Step-feltet. Merk: Sett forsinkelsen mellom trinnene til minst 300 msek slik at laser er stabilt ved hver bølgelengde før målingene blir registrert og neste bølgelengde skritt oppstår.
      3. Skriv en bølgelengde ca 5 nm større enn Bragg bølgelengden i "End Wavelength-feltet.
      4. Klikk på "Automatic Scan" -knappen for å stille inn laseren til den definerte start Wavelength og øke bølgelengden av den valgte tilvekst på forskriftenLar tidsintervaller.
      5. Ta opp den intensitet som overføres gjennom hver kjerne for hvert trinn bølgelengde. Eksportere de beregnede verdier til en tekstfil ved å aktivere "Text File Save '.
   5. Gjenta skanningen minst 3 ganger og gjennomsnittlig data fra alle kjører.
   6. Plot utsendte effekt i forhold til bølgelengde for hver kjerne for å generere et sett av spektra.
      1. Sammenligne spektrene til alle kjerner for å bekrefte hvorvidt de har samme undertrykkelseskarakteristikker. Sjekk at sentral bølgelengde, dybde og båndbredde på hver rist kamp.

Representative Results

Effektiviteten av denne teknikken er best vist ved å sammenlikne de flerkjernede fiber Bragg-gitre (MCFBGs) som resulterer fra eksponering med og uten den kapillære. Figur 2 viser overføringskarakteristikker for en 7-kjerne MCF eksponert ved hjelp av standardmetoden for SMFs, med individuell kjerne spektra representert ved forskjellige farger. Det er minimal overlapping mellom de undertrykte bølgelengder, og kjernen # 5 har mottatt svakere eksponering resulterer i en grunnere hakk. Begge effektene skyldes variasjoner i kraft innen fiber under skriveprosessen. Legg merke til at den flate cutoff ved -36 dB er på grunn av den begrensede dynamiske område for det kamera; alle overføringsverdier er skalert i forhold til dette minimum.

Figur 2. Utførelse av MCFBG kjerner med ingen kompensasjon for objektiving. Denne tomten viser overføring spektra av enkeltkjerner når MCFBG er produsert ved hjelp av standardmetoden for SMFs. Det er minimal overlapping mellom hakkene. (Innfelt) Diagram av kjerne nummerering. Tilpasset fra forrige publisering ^11. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

I figur 3 er de samme data som vises for en identisk fiber som ble eksponert inne i et kapillar-rør med indre diameter 140 um. (Merk at Bragg bølgelengdene er ca 2 nm lavere enn i forrige sak som dette grating ble glødet før måling. Variasjonen mellom kjernene opprettholdes før og etter gløding.) I denne MCFBG, 6 av 7 kjerner har godt justert hakk, med en overlapping sentrert ved 1548,25 ± 0,01 nm. Den feiljustert kjerne, som er plassert i sentrum avden fiber, har et Bragg-bølgelengde 100 pm kortere enn de andre. Effekten av å ha denne feilaktige kjernen er å begrense fiber totale undertrykkelse til -8.5 dB; med andre ord, kan 1/7 ^th av lyset på 1548,25 nm passere fritt gjennom MCFBG. Hvis bare de ytre kjerner er inkludert i beregningen (dvs. kjerne # 1 blokkeres eller på annen måte ikke opplyst), en maksimal undertrykkelse av> 36 dB er mulig. Disse resultater er vist grafisk i figur 4.

Figur 3. Utførelse av MCFBG ledere med blank kapillarrør. Overførings profiler av alle gittere i 7-kjernefiber med kapillarrøret til å kompensere for lensing. De bølgelengder av refleksjon av de ytre seks kjerner lapper sentrert på 1548,25 ± 0 0,01 nm. Gitteret responsen av kjernen 1, som er plassert i center av fiberen, er forskjøvet mot kortere bølgelengder. (Innfelt) Diagram av kjerne nummerering. Tilpasset fra forrige publisering ^11. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4. Samlet ytelse av MCFBG. Sammenligning av den samlede fiber ytelse med (blå) og uten (grønn) midtkjernen inkludert. Tilpasset fra forrige publisering ^11. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Discussion

Figurene 2 og 3 viser sammen at innføring av den polerte kapillarrøret (PCT) ved skriving av gitter er tilstrekkelig til å forbedre ensartetheten av kjernen spektra i MCFBG. Resten av innskriften prosessen er stort sett uforandret fra etablerte metoder for å skape SMF rister og kan brukes sammen med de fleste eksisterende FBG skriftsystemer. Derfor utarbeidelse av PCT som skissert i § 2 i protokollen er mest kritiske for å forbedre MCFBG ensartethet. De beste resultatene oppnås med rør der polert veggen har en konsistent, liten tykkelse; 50 mikrometer tykkelse velges her gir et kompromiss mellom å opprettholde styrken av glasset og minimere avstanden mellom fiber og fasemasken.

Men selv med de PCT er det en ekstra effekt som fører til midten kjernen i MCF å ha en annen bølgelengde som reaksjon på de andre kjerner. Vi brukte en annen hydrogene regime som nevnt i trinn 3.1 i protokollen delen for å undersøke hvorvidt varianten var forårsaket av en lavere hydrogenopptaket i denne kjerne, men ingen forbedring ble iakttatt. Variasjonen kan heller ikke forklares med kjerner avstøpning skygger på hverandre under UV-eksponering, da dette vil resultere i de ytre 6 kjerner også å ha dårlig matchet svar. I stedet oppførsel kan forklares ved den sentrale kjerne som har forskjellige optiske egenskaper til de andre, til tross for å være identisk når stilles.

MCFBGs kan ikke brukes som effektive erstatninger for deres SMF motstykker med mindre samtlige kjerner i en enkelt fiber har samme transmisjonsspekteret. Vi har tenkt å eksperimentere med sekundære korreksjoner til eksisterende MCFs gjort med PCT, ved hjelp av effekter av termisk og mekanisk belastning å skifte Bragg bølgelengder av de ytre kjerner å matche sentrum. Eksperimentet er beskrevet i denne artikkelen vil også bli gjentatt for større kjerne tall for å bestemme extent som skygge og radial Bragg bølgelengde variasjon effekter skaleres med antall "ringer" av kjerner.

Teknikken er for tiden begrenset i effektivitet for tilfellet av meget store fibre eller høye kjerne tall. I den førstnevnte situasjon, er kjernene i en stor fiber som er lengst fra den innkommende strålen ikke utsettes for interferensmønsteret. Dette er fordi vi bruker en Mach-Zender interferometer i disse forsøkene som begrenser maksimal skrive dybde; denne virkning oppstår fordi det interferensmønster strekker seg kun noen få hundre mikrometer utover fase masken. Vi har tenkt å løse dette i fremtidige eksperimenter med en nydesignet Sagnac interferometer, som vil ha en dybdeskarphet minst det dobbelte av dagens utstyr. I den andre situasjon der det totale antallet kjerne er stor, kan enkelte kjerner anbringes inne skyggene fra kjerner nærmere fasemasken. Effekten av dette på MCFBG kvalitet er ennå ikke kjent; vi vil undersokelserte dette med 19-, 37-, og 55-kjernefibre ved bruk av fremgangsmåten beskrevet ovenfor.

Disse forsøk har vist at minimale, rimelige endringer i gitterskriveprosedyren kan utvide anvendelsen utover SMFs. Når MCFBGs kan lages med filtrering evner lik eksisterende SMF teknologi, kan de være ansatt i et program for fotonikk, slik at bygging av kompakte og robuste enheter uten å ofre ytelse. Som beskrevet i innledningen, er forfatternes primære mål å innlemme MCFBGs inn i nye astronomiske instrumenter; men de kan potensielt være ansatt i ethvert system som allerede gjør bruk av single-modus optikk og / eller nøyaktig filtrering bølgelengde. I likhet med sine single-mode kolleger, kan MCFBGs brukes i transmisjon og refleksjon, avhengig av programmet.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Multicore fiber	Fujikura Ltd.		7 cores with diameter 5.5 µm, core separation 35 µm, hexagonally arranged within 125 µm cladding, NA = 0.177
Glass tapering machine	Vytran	GPX-3000
UV laser	Coherent	300 FreD Innova	Frequency doubled 244 nm, at least 150 mW output. CAUTION: eye damage; wear appropriate goggles
Phase mask	Lasiris	PM-244-1069.50-50.8	Custom component, 1069.50 nm grating period, 5.08 mm thickness
Capillary tubes	Polymicro	TSP200794	Inner diameter 200 µm, outer diameter 794 µm
Lapping machine	Logitech	PM5	Combination grinder/polisher
UV-curable glue	Norland	NOA-61	Cures rapidly, removable with acetone
Microgrit	Eminess		Al2O3: 25 µm and 5 µm particle size
Polishing fluid	Eminess	ULTRA-SOL 500S	SF-500S-5, ULTRA-SOL 500S N/D, 5 GAL
Sodium hydroxide			0.004 M
Fiber cleaver	Vytran	LDC-400
Tunable laser	JDS Uniphase	SWS15101
IR Camera	Xenics	XEVA-1429	320x256 pixel, 16 bit resolution
Oven	Thermoline Scientific	LDO-030N	For annealing at T = 110 °C
Hydrogen gas	BOC		For hydrogenating fiber. CAUTION: flammable, pressurised gas
Nitrogen gas	BOC		Booster for hydrogenation. CAUTION: pressurised gas
Acetone
Razor blades