Introduction
Волоконных брэгговских решеток (ВБР) широко используются в качестве узкополосных фильтров из -за того , что они могут быть настроены для большого числа приложений 1. Они не ограничиваются подавлением монохромная; сложные спектры передачи могут быть созданы с использованием апериодические изменения показателя преломления среды 2. Одним из ограничений является то, что ВБР может быть вписана только в одномодовых волокон (ОВС), так как длина волны, которая подавляется в течение заданного периода решетки зависит от постоянной распространения. В многомодовом волокне (ММФ), где каждый режим имеет другую постоянную распространения, подавляемых длина волны для каждого режима отличается и, следовательно, решетка не дает сильное подавление в любой одной длине волны.
Толчком для этого эксперимента происходит от астрономии. Под Проводы ограничено условиями, прямая связь в SMF трудно и неэффективно; экстремальные адаптивная оптика требуется сделать это 3. Из-за этого, MMFs являются типовоечески используется при сборе света от телескопа фокальной плоскости 4. Поэтому для того, чтобы сохранить функциональные возможности, доступные только для ОВС, необходимо иметь эффективное преобразование между ОВС и MMFs. Это стало возможным с фотонной фонарем, устройство , которое состоит из многомодового порта , подключенного к массив ОВС через конический перехода 5. Фотонные фонари были использованы в приборе гнозиса, в котором SMF - функции , содержащейся ВБР для удаления атмосферных линий излучения (вызванное радикалов ОН и других молекул) из ближней инфракрасной наблюдений 6. Недостатки использования отдельных одножильных SMF-функции для решения этой задачи является то, что они должны быть написаны по одному и сращены по отдельности в оптический поезд, требующий значительных затрат времени и ручного труда. Техника, описанная в данной статье делается попытка устранить эти недостатки, используя более сложный формат волокна для получения функциональность одномодового.
Следующее поколение OH suppression инструмент PRAXIS 7 будет использовать многоядерные волокон (MCFs). Эти волокна содержат любое количество отдельных ядер-встроенных перебор режимов в одной оболочке. Преимущество этого подхода состоит в том, что ККМ может сужаться в ММФ с результирующим фотонный фонарь быть компактным и надежным автономным устройством. В законченного прибора, свет от телескопа будет соединена в порт ММФ фонаря; переход Конус отделит этот свет в сердечников одномодовых, где он будет проходить через ВБР. После того, как длина волны фильтрации остальной свет рассеивается на детекторе, спектры, собранные.
Использование MCF для также ускоряет процесс записи решеток, так как все ядра могут быть вписаны в один проход. Тем не менее, процесс записи должен быть изменен для того, чтобы гарантировать, что все ядра имеют одинаковые характеристики отражения. Это происходит потому, что криволинейная поверхность оболочки действует как линза во время бокового написания ФПС, Резulting в УФ-области, которая изменяется в силе и направлении на каждом ядре, если используется стандартный метод бокового написания. Следовательно , каждое ядро будет иметь различный профиль передачи, и волокно не будет обеспечивать сильное подавление на одной длине волны 8.
Группа в Морской исследовательской лаборатории эксперименты с модификацией распределения и светочувствительность ядер , чтобы отменить эффект этого изменения 9. Недостатком использования такого подхода является то, что волокно должно быть переработан для каждой комбинации размера оболочки, основной размер, количество ядер и химического состава. Кроме того, отсутствие осевой симметрии в результирующем конструкций означает, что ККМ не может быть эффективно сужаться в ММФ с круглым сердечником. В данной статье подробно описывается другой подход к проблеме: изменения поля внутри волокна, имея его пройти через плоскую поверхность вместо того, чтобы непосредственно падающее на изогнутой оболочке. Используя этот подход приводит ктехника, которая может быть передана различными MCF конструкций и размеров, в частности осесимметричные волокон, которые мы хотим включить в фотонных фонарей.
Для того, чтобы создать необходимую плоскую поверхность, ККМ размещается внутри УФ-прозрачным капиллярной трубкой, которая была шлифовка и полировка, с одной стороны, чтобы дать плоскую наружную стенку. Небольшой зазор должен быть оставлен между волокном и капилляром, так как последний может содержать ± 10 мкм изменений диаметра. На рисунке 1 представления. Эта статья будет описывать экспериментальную процедуру, чтобы написать ВБР таким образом, и приводятся примеры возможных улучшений. Для получения дополнительной информации см ранее опубликованные моделирования 10 и экспериментальных результатов 11.
Рисунок 1. Схема полированного капиллярной трубки, который используется в продукте ВБРиона. ККМ помещается внутри капиллярной трубки. Разрыв между ними должен быть небольшим, но допускают небольших вариаций в диаметре. УФ - свет, прошедший через фазовую маску затем поступает в систему через плоскую сторону капиллярной трубки. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Приготовление шлифованного капилляры (ANFF OptoFab)
- Получить стеклянные капиллярные трубки с внутренним диаметром близко соответствует диаметру волокна. Чем ближе по размеру, тем лучше производительность, но гарантировать, что в диапазоне ± 10 мкм капиллярного допускается для. Удалите все защитные покрытия из капиллярных трубок. Сбрить покрытия с лезвием бритвы, чтобы удалить их без повреждения труб.
- Сужаются капилляры до меньшего диаметра, если требуется. если таковая имеется Используйте автоматическую сужающийся машины с компьютерным управлением.
- Закрепите длину трубки с зажимами на обоих концах.
- Тепло капиллярную температура плавления равномерно вокруг его диаметра с помощью горячей нити, расположенной между зажимами.
- Протяните капилляр через нагревательный элемент с постоянным натяжением до нужной длины не было сужаться до меньшего диаметра.
- Отрежьте капиллярную трубку в приблизительно равной длины Wiго инструмента резки стекла. Убедитесь в том, что они, по крайней мере на 2 см длиннее предполагаемой длины решетки, но достаточно мал, чтобы поместиться в полирующих используемого оборудования. Примечание: Для этого эксперимента использовалась длина капилляра 7 см.
- Приложить 8-10 длин капилляров со стеклянной шайбе с использованием УФ-отверждаемый клей. Установите шайбу на оправке, совместимый с притирки / полирования машины.
- Используйте притирки / полировки машины для измельчения оголенные стенки капиллярных трубок к плоской поверхности. ВНИМАНИЕ: Не вдыхать рыхлый песок. Примечание: Абразивный элемент является Al 2 O 3 в суспензии обратного осмоса очищенной воды.
- Используйте 25 мкм грит до тех пор, оставшаяся толщина стенки капилляра не составляет примерно 70 мкм. С помощью микрометра для измерения смещения зажимного приспособления в процессе измельчения и, следовательно, количество, которое было удалено.
- Переключение на зернистостью 5 мкм и шлифовать до тех пор, оставшаяся толщина стенки не составляет приблизительно 50 мкм.
- С помощью притирки / полировки машина для полировки уплощенную поверхность, по меньшей мере, 3 ч с высокой степенью чистоты коллоидного кремнезема в щелочной дисперсии (NaOH). Примечание: Это восстанавливает поверхность для оптического качества. Диоксид кремния можно предотвратить затвердевание путем добавления 1 часть 0,004 М NaOH до 3-х частей полировальных раствора.
- Отдельные капилляры из удерживающей шайбе путем замачивания на ночь в ацетоне.
- Осмотрите капиллярные трубки на обоих концах под микроскопом с 10-кратным увеличением, чтобы проверить толщину стенки. Примечание: хорошее качество капиллярная будет иметь равномерный тонкий (~ 50 мкм) стенки по ее длине.
2. Создание решёток
- Гидрировать MCF увеличить светочувствительность.
- Поместите волокна подвергают гидрированию в запаянном герметичном камере. ВНИМАНИЕ: Убедитесь, что камера надежно крепится за счет наличия сжатых газов.
- Насос высокой чистоты H 2 в камеру. Использование N 2
- Оставьте волокна внутри камеры в течение длительного периода: 2 недели при давлении 300 бар и комнатной температуре, или 3 дней при 380 бар и температуре 80 ° C.
- Vent газы из камеры и удаления волокон. ВНИМАНИЕ: Убедитесь, что помещение хорошо проветривается. Газы могут выступать в качестве удушающими или пожарной опасности в случае H 2.
- Хранить волокна в морозильную камеру с температурой -70 ° C или ниже, пока они не будут использованы. Это замедляет скорость газовыделения водорода и сохраняет повышенную светочувствительность.
- Снимите защитное покрытие из MCF. Strip MCF для такого же размера, как ОВС со стандартным SMF волокна съемника; в противном случае сбрить покрытие с бритвенным лезвием. Удалите покрытие из области, в которой решетка должна быть записана, вплоть до конца волокна.
- Вставьте оголенный конец волокна в капиллярную трубку, и вставьте трубу вдоль волокна, так что она охватывает область б е вписано.
- Нанести на УФ-защитные очки. Установить волокна на стадии подвижной, которая удерживает маску фаз, с плоской стороной капиллярной трубки под углом к фазовой маски. Убедитесь, что волокно расположено внутри интерференционной картины, порождаемые маской, но не касаясь самой маски, так как это может привести к повреждению.
- Выравнивание 244 нм лазер так, чтобы луч перпендикулярно к плоской поверхности фазовой маски. Убедитесь, что волокно получает по меньшей мере 90 мВт мощности лазера.
- Защиту длиной 4 см от волокна к образцу УФ помех путем перемещения волокна и фазовой маски вместе относительно входящего пучка со скоростью 0,25 мм / мин.
- Удалите капиллярную трубку из волокна.
- Отжигать решетку при 110 ° С в течение 20 часов, чтобы стабилизировать реакцию длины волны. Примечание: Этот шаг является необязательным, как решетка стабилизируется сама по себе в течение примерно трех дней, но отжиг делает процесс быстрее.
- Сколите оба конца волокна. Использование волокна тесак, который позволяет пользователю устанавливать как диаметр волокна, и напряжение, чтобы обеспечить плоскую торцевую поверхность.
- Осветите один конец волокна с помощью перестраиваемого лазера с центральной длиной волны приблизительно согласован с длиной волны Брэгга.
- Подключите CCD камеру к ПК с программным обеспечением управления для отображения и записи выходных волокна. Изображение на выходе волокна с ПЗС-камерой, с помощью микроскопа объектив с 50Х увеличением в передней части камеры, чтобы убедиться, что все ядра покрывают несколько ПЗС пикселей. Примечание: Следующие шаги 3.4.1 - 3.5.5 являются специфическими для пользовательского программного обеспечения, используемого авторами и представляют собой лишь один из способов захвата спектров.
- Выберите круглую область пикселов, соответствующих каждому ядру, нажав на центры ядер, как они появляются на изображении в программном обеспечении управления. Ввод диаметра стержней в единицах пикселей в "длина или диаметр &# 39; поле.
- Запишите значения пикселов, зарегистрированных камерой для выбранных регионов. Суммировать значения для всех пикселей, охватывающих данную ядро, чтобы количественно оценить общую пропускную способность на этой длине волны.
- Подключите перестраиваемый лазер для управления ПК, так что наблюдения и сбор данных можно автоматизировать.
- Введите с длиной волны примерно 5 нм ниже длины волны Брэгга в поле 'Start' длины волны.
- Установите длину волны приращение лазера до 0,01 нм в 'Scan - Шаг' поле. Примечание: Установите задержку между шагами, по меньшей мере, 300 мс, так что лазерная генерация стабильна на каждой длине волны до того измерений записываются и следующим шагом длины волны происходит.
- Введите длину волны около 5 нм больше, чем длина волны Брэгга в поле 'End' длины волны.
- Нажмите на кнопку "Автоматическое сканирование" для установки лазера на определенную длину волны и начала увеличивать длину волны выбранного приращения на регучерез определенные интервалы времени.
- Записывают интенсивность прошедшего через каждый сердечник для каждого шага длины волны. Экспорт расчетных значений в текстовый файл активировав 'Text File Сохранить "вариант.
- Повторить сканирование по меньшей мере, в 3 раза и в среднем данные из всех трасс.
- Участок передается мощность от длины волны для каждого ядра для генерации набора спектров.
- Сравните спектры всех ядер, чтобы подтвердить, есть ли у них одни и те же характеристики подавления. Убедитесь, что центральная длина волны, глубины и ширины полосы каждой решетки матча.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Эффективность этого метода лучше всего демонстрируется путем сравнения многоядерный волоконных брэгговских решеток (MCFBGs) , которые возникают в результате воздействия с и без капилляра. На рисунке 2 показаны характеристики передачи 7-сердечника MCF подвергается с использованием стандартного метода для ОВС с индивидуальным основные спектры, представленные разными цветами. Существует минимальное перекрытие между подавленными длинами волн, и ядро # 5 получил более слабое воздействие, что приводит к более мелкой насечкой. Оба эффекта обусловлены вариациями мощности в волокне во время процесса записи. Обратите внимание, что плоская отсечка при -36 дБ из-за ограниченного динамического диапазона камеры; все значения передачи масштабируются относительно этого минимума.
Рисунок 2. Производительность MCFBG ядер без компенсации для объективаING. Этот график показывает спектры пропускания отдельных ядер , когда MCFBG производится с использованием стандартного метода для ОВС. Существует минимальное перекрытие между вырезами. (Врезка) Схема нумерации ядра. Взято из предыдущей публикации 11. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
На рисунке 3, те же данные показаны на идентичном волокно , которое подвергалось воздействию внутри капиллярной трубки с внутренним диаметром 140 мкм. (Обратите внимание, что длины волн Брэгга приблизительно 2 нм ниже, чем в предыдущем случае, поскольку эта решетка отжигают перед измерением. Разброс между сердечниками сохраняется до и после отжига.) В этом MCFBG, у 6 из 7 сердечники имеют хорошо выровнены вырезами, с напуском с центром в 1548,25 ± 0,01 нм. Перекос ядро, которое находится в центреволокно, имеет длину волны Брэгга 100 мкм короче, чем другие. Эффект наличия этого несоответствующие ядро является ограничение полного подавления Волокно на -8.5 дБ; Другими словами, 1/7 го света на 1548.25 нм может свободно проходить через MCFBG. Если только внешние ядра включены в расчет (то есть, ядро # 1 заблокирован или иным образом не горит), максимальное подавление> 36 дБ возможно. Эти результаты графически представлены на рисунке 4.
Рисунок 3. Производительность MCFBG ядер с полированной капиллярной трубкой. Профили передачи всех решеток в 7-волоконный с капиллярной трубкой , используемой для компенсации линзирования. Длина волны отражения внешних шести ядер перекрываются с центром в 1548,25 ± 0 0,01 нм. Решетки реакция ядра # 1, который расположен в сеNTER волокна, смещается в сторону более коротких длин волн. (Врезка) Схема нумерации ядра. Взято из предыдущей публикации 11. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 4. Общая характеристика MCFBG. Сравнение общей производительности волокна с (синий) и без (зеленый) центрального ядра включены. Взято из предыдущей публикации 11. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
На рисунках 2 и 3 вместе показывают , что введение полированную капиллярной трубки (РСТ) при написании решеток является достаточным для улучшения равномерности основных спектров в MCFBG. Остальная часть процесса надпись в значительной степени неизменным по сравнению с установленными методами для создания SMF решеток и может использоваться с большинством существующих систем письменности ВБР. Таким образом, подготовка ПХТ, как указано в разделе 2 протокола является наиболее важным для улучшения однородности MCFBG. Наилучшие результаты достигаются при использовании труб, где полированная стенка имеет последовательную, малую толщину; толщина 50 мкм выбрана здесь дает компромисс между сохранением прочности стекла и минимизации расстояния между волокном и фазовой маски.
Тем не менее, даже с РСТ имеется дополнительный эффект, который вызывает средний ядро MCF иметь разные характеристики длины волны к другим сердечников. Мы использовали другой рег гидрогенизацииIME, как указано в пункте 3.1 раздела протокола для исследования было ли изменение, вызванное меньшее поглощение водорода в этом ядре, но не наблюдалось никакого улучшения. Изменение также не может быть объяснено сердечников отбрасывают тени друг на друга во время воздействия УФ-излучения, так как это привело бы к наружными 6 жил также имеющих плохо совпавшие ответы. Вместо того, чтобы поведение можно объяснить центральным сердечником, имеющим различные оптические свойства других, несмотря на то, идентичны при их производстве.
MCFBGs не могут быть использованы в качестве эффективных замены их аналогов SMF, если все ядра в пределах одного волокна не имеют один и тот же спектр пропускания. Мы намерены экспериментировать с вторичными поправками к существующим MCFs, сделанных с РСТ, используя эффекты теплового и механического напряжения для сдвига длины волн Брэгга внешних ядер в соответствии с центром. Эксперимент, описанный в этой статье также будет повторяться для больших основных чисел, чтобы определить доблор, к которому затенение и радиальной Брэгга длины волны вариации эффектов масштаба с числом «колец» ядер.
Техника в настоящее время ограничена в эффективности для случая очень больших волокон или высоких основных чисел. В первом сценарии, основными в большом волокна, которые наиболее удалены от входного пучка не подвергаются интерференционной картины. Это потому, что мы используем интерферометр Маха-Цендера в этих экспериментах, что ограничивает максимальную глубину записи; этот эффект возникает потому, что интерференционная картина распространяется лишь несколько сотен микрон за пределами фазовой маски. Мы намерены решить эту проблему в будущих экспериментах с модернизированным Саньяка интерферометра, который будет иметь глубину поля, по крайней мере в два раза больше текущего оборудования. Во второй ситуации, когда общее число ядра велико, некоторые сердечники могут быть расположены в пределах теней, отбрасываемых сердечников ближе к фазовой маски. Влияние этого на качество MCFBG пока не известно; мы Investigaт.е это с 19-, 37-и 55-ядерных волокон с использованием способа, описанного выше.
Эти эксперименты показали, что минимальный, недорогих изменений в решеточную написания процедуры может расширить его применимость и вне ОВС. После того, как MCFBGs могут быть созданы с возможностями фильтрации, равным существующей технологии SMF, они могут быть использованы в любом применении фотонике, что позволяет строительство компактных и надежных устройств, без ущерба для производительности. Как было отмечено во введении, основная цель авторов состоит в том, чтобы включить MCFBGs в новые астрономические инструменты; Тем не менее, они потенциально могут быть использованы в любой системе, которая уже делает использование одномодового оптики и / или точной фильтрации длин волн. Как и их одномодовых аналоги, MCFBGs могут быть использованы при передаче и отражения в зависимости от применения.
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).
