Introduction
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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Bereiding van Polished capillaire Tubes (ANFF OptoFab)
- 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.
- Schuin de capillaire buisjes tot een kleinere diameter indien nodig. Gebruik een computergestuurde automatische machine taps indien beschikbaar.
- Bevestig een stuk buis met klemmen aan beide uiteinden.
- Verwarm de capillair smeltpunt gelijkmatig over de diameter een hete filament tussen de klemmen.
- Trek de capillair door middel van het verwarmingselement met een constante spanning totdat de gewenste lengte is taps naar de kleinere diameter.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Switch to 5 urn gruis en maal tot de resterende dikte van de wand bedraagt ongeveer 50 urn.
- 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.
- Scheid de capillaire buisjes van de holding puck door het weken 's nachts in aceton.
- 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
- Hydrogeneren de MCF op lichtgevoeligheid verhogen.
- 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.
- Pomp hoge zuiverheid H 2 in de kamer. Gebruik N 2
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Verwijder het capillair van de vezel.
- 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.
- Splitsen beide uiteinden van de vezel. Gebruik een vezelmes waarmee de gebruiker zowel vezeldiameter en spanning ingesteld op een vlak eindoppervlak waarborgen.
- Verlicht ene uiteinde van de vezel met een afstembare laser met een centrale golflengte ongeveer aangepast aan de Bragg golflengte.
- 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.
- 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.
- 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.
- Sluit de afstembare laser om de controle PC, zodat observaties en het verzamelen van gegevens kan worden geautomatiseerd.
- Voer een golflengte van ongeveer 5 nm onder de Bragg golflengte in het 'Start Wavelength' veld.
- 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.
- Voer een golflengte van ongeveer 5 nm groter is dan de Bragg golflengte in het 'Einde Wavelength' veld.
- 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.
- 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.
- Herhaal de scan ten minste 3 keer en de gemiddelde gegevens van alle runs.
- Plot uitgezonden vermogen versus golflengte voor elke kern een set van spectra genereren.
- 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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
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 ondieper inkeping ontvangen. Beide effecten zijn te wijten aan variaties in de macht binnen de vezel tijdens het schrijfproces. Merk op dat de vlakke cutoff bij -36 dB is door het beperkte dynamische bereik van de camera; alle transmissie waarden worden geschaald ten opzichte van dit minimum.
Figuur 2. Prestaties van MCFBG cores met geen vergoeding voor de lensing. Deze plot geeft grafisch de transmissie spectra van de individuele kernen wanneer de MCFBG wordt geproduceerd met behulp van de standaard methode voor het SMF. Er is een minimale overlap tussen inkepingen. (Inzet) Diagram van de kern nummering. Aangepast van eerdere publicatie 11. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
In figuur 3, worden dezelfde gegevens weergegeven voor dezelfde vezel die in een capillaire buisje werd belicht met binnendiameter 140 urn. (De Bragg golflengten ongeveer 2 nm lager dan in het vorige geval als dit raster werd gegloeid voor de meting. De variatie tussen kernen behouden blijft voor en na gloeien.) In dit MCFBG, 6 uit 7 kernen goed uitgelijnd inkepingen met een overlapping middelpunt op 1548,25 ± 0,01 nm. De verkeerd kern, die is gelegen in het centrum vande vezel, een Bragg golflengte 100 pm korter dan de andere. Het effect van het hebben van deze mismatch kern totale onderdrukking van de vezel te beperken tot -8,5 dB; in andere woorden, 1/7 e van het licht op 1548,25 nm vrij door de MCFBG. Als alleen de buitenkernen worden meegerekend (dwz kern # 1 geblokkeerd is of anderszins niet verlicht), een maximale onderdrukking van> 36 dB mogelijk. Deze resultaten worden grafisch weergegeven in figuur 4.
Figuur 3. Uitvoering van MCFBG kernen met glanzend capillair. Zendprofielen alle roosters in de 7-kern vezel met de capillaire buis gebruikt ter compensatie van lenzen. De golflengten van reflectie van de buitenste zes cores overlappen gecentreerd op 1548,25 ± 0 0.01 nm. Het rooster respons Core # 1, die is gelegen in het center van de vezel, wordt gecompenseerd naar kortere golflengtes. (Inzet) Diagram van de kern nummering. Aangepast van eerdere publicatie 11. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4. Algemene prestaties van MCFBG. Vergelijking van de totale fiber prestaties met (blauw) en zonder (groen) het centrum van de kern opgenomen. Aangepast van eerdere publicatie 11. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
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 cruciaal voor het verbeteren van MCFBG uniformiteit. De beste resultaten worden bereikt met buizen waarbij de gepolijste wand een constante, kleine dikte; de 50 urn dikte hier gekozen geeft een compromis tussen behoud van de sterkte van het glas en het minimaliseren van de afstand tussen de vezel en fasemasker.
Echter, zelfs met de PCT er een bijkomend effect dat de middelste kern van de MCF veroorzaakt een andere golflengte reactie op de andere kernen. We gebruikten een ander hydrogenering regime zoals vermeld in stap 3.1 van de sectie Protocol te onderzoeken of het verschil werd veroorzaakt door een lagere waterstofopname in deze kern, maar geen verbetering waargenomen. De variatie kan niet worden verklaard door kernen gieten schaduwen op elkaar tijdens blootstelling aan UV, aangezien dit zou leiden tot het buitenste 6 kernen ook met slecht aangepast antwoorden. In plaats daarvan verklaard kan worden door de centrale kern met verschillende optische eigenschappen aan de anderen, hoewel identiek bij productie.
MCFBGs kan niet worden gebruikt als effectieve vervangingen voor hun tegenhangers SMF tenzij de monsters binnen een enkele vezel dezelfde transmissiespectrum. We zijn van plan om te experimenteren met secundaire correcties van bestaande MCFs gemaakt met de PCT, met behulp van de effecten van thermische en mechanische belasting op de Bragg golflengten van de buitenste cores verschuiven naar het centrum te passen. De in dit artikel beschreven experiment zal ook worden herhaald voor een grotere kern nummers aan de ext bepalenent waarop schaduwen en radiale Bragg golflengte variatie effecten schalen met het aantal 'ringen' van de kernen.
De techniek is momenteel beperkt in effectiviteit bij zeer grote vezels of hoge aantallen kern. In het eerste scenario worden de kernen in een grote vezels die het verst van de inkomende lichtbundel niet blootgesteld aan het interferentiepatroon. Dit komt omdat we gebruik maken van een Mach-Zender interferometer in deze experimenten waarbij de maximale schrijfsnelheid diepte beperkt; Dit effect treedt op omdat het interferentiepatroon zich slechts een paar honderd micrometer na het fasemasker. Wij zijn van plan om dit ten minste het dubbele van de huidige apparatuur te pakken in de toekomst experimenten met een nieuw ontworpen Sagnac interferometer, die een diepte van het veld zal hebben. In de tweede situatie waarin de totale kernaantal groot is, kunnen sommige kernen binnen schaduwen van kernen dichter bij het fasemasker worden geplaatst. Het effect hiervan op MCFBG kwaliteit is nog niet bekend; we zullen ONDERZOEKte dit met 19-, 37- en 55-kernvezels middels de hierboven beschreven werkwijze.
Deze experimenten hebben aangetoond dat minimale, goedkope wijzigingen in het rooster schrijfproces toepasbaarheid dan SMF kan uitstrekken. Zodra MCFBGs kunnen worden gemaakt met filtering mogelijkheden die gelijk is aan de bestaande SMF-technologie, kunnen ze worden gebruikt in elke toepassing van fotonica, waardoor de bouw van compacte en robuuste apparaten zonder concessies aan de prestaties. Zoals uiteengezet in de inleiding, primaire doel van de auteurs is om MCFBGs op te nemen in de nieuwe astronomische instrumenten; echter, kunnen ze eventueel worden gebruikt in elk systeem dat nu al gebruik van single-mode optica en / of accuraat golflengte filtering maakt. Als hun tegenhangers single-mode, kan MCFBGs worden gebruikt in de transmissie en reflectie afhankelijk van de toepassing.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 |
References
- Othonos, A.
- 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.
- 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).
