Skriva Bragg-gitter i multicore Fibrer

Introduction

Fiber Bragg-gitter (FBGs) används i stor utsträckning som smalbandiga filter på grund av det faktum att de kan anpassas till ett stort antal ansökningar ^1. De är inte begränsade till att undertrycka enstaka våglängder; komplex transmissionsspektra kan skapas genom användning av aperiodiska brytningsindexvariationer ^2. En begränsning är att FBGs endast kan skrivas in i enkelmodsfibrer (SMF), som våglängden som är undertryckt för en given gitterperiod beror på utbredningskonstanten. I en multimodfiber (MMF), där varje läge har en annan utbredningskonstanten, är det undertryckta våglängd för varje läge annorlunda och därmed gallret inte ger stark suppression på en enda våglängd.

Drivkraften för detta experiment kommer från astronomi. Enligt se-begränsade betingelser, är svårt och ineffektivt direktkoppling till en SMF; extrema adaptiv optik är skyldig att göra det ^tre. På grund av detta, PMF är typmatiskt används när du samlar ljus från teleskopet fokalplan ^4. Därför för att hålla funktionaliteten tillgänglig endast för SMF, är det nödvändigt att ha effektiv omvandling mellan SMF och MMF. Detta är möjligt med det fotoniska lykta, en anordning som består av en multimode port ansluten till en matris med SMF via en avsmalnande övergång ^5. Fotoniska lyktor användes i GNOSIS instrumentet, vid vilken SMF innehöll FBGs att avlägsna atmosfäremissionslinjer (orsakad av OH-radikaler och andra molekyler) från nära-infraröda observationer ^6. Nackdelarna med att använda enskilda, single-core SMF för denna uppgift är att de måste skrivas en efter en och skarvas individuellt i den optiska tåg, som kräver mycket tid och manuellt arbete. Den teknik som beskrivs i den här artikeln försöker ta itu med dessa brister genom att använda en mer komplex fiber format för att ge den single-mode funktionalitet.

Nästa generation OH suppression instrument PRAXIS ⁷ kommer att använda sig av flerkärniga fibrer (MCFs). Dessa fibrer innehåller valfritt antal enkel moded kärnor inbäddade i en enda mantel. Fördelen med detta tillvägagångssätt är att det MCF kan vara avsmalnande i en MMF med den resulterande fotoniska lyktan är en kompakt och robust självständig enhet. I den färdiga instrumentet, kommer ljus från teleskopet kopplas till MMF-porten på lykta; avsmalnings övergången skall skilja denna ljus i single-mode-kärnor där det kommer att passera genom FBGs. Efter våglängden filtrering av den återstående ljuset är dispergerad på en detektor, spektra uppsamlades.

Använda MCFs snabbar också upp processen att skriva galler, eftersom alla kärnor kan skrivas in i ett enda pass. Dock måste skrivprocessen ändras för att säkerställa att alla kärnor har samma reflektionsegenskaper. Detta beror på den krökta ytan av kapseln fungerar som en lins under sido skrivning av de FBGs, resulting i en UV-område som varierar i styrka och riktning vid varje kärna om standardsidoskrivmetod används. Därför varje kärna kommer att ha en annan sändningsprofil och fibern kommer inte att ge stark dämpning vid en enda våglängd ^8.

En grupp vid Naval Research Laboratory experimenterade med att ändra fördelningen och ljuskänslighet kärnor att neutralisera verkningarna av denna variation ^9. Nackdelen med att använda en sådan strategi är att fibern måste omformas för varje kombination av kapslingsstorlek, kärnstorlek, antalet kärnor och kemiska sammansättning. Dessutom har avsaknaden av axiell symmetri i de resulterande mönster betyder att MCF inte effektivt kan avsmalnande i en MMF med en cirkulär kärna. Detta dokument detaljer en annan inställning till problemet: att ändra fältet i fibern genom att den passerar genom en plan yta istället för att vara direkt infallande på den krökta kapslingen. Med hjälp av denna metod resulterar i enteknik som kan överföras till en mängd olika MCF mönster och storlekar, i synnerhet de axiellt symmetriska fibrer som vi vill införliva i fotoniska lyktor.

Att skapa den nödvändiga plana ytan, är MCF placeras inuti en UV-transparent kapillärrör, som har malts och poleras på en sida för att ge en plan yttre vägg. Ett litet mellanrum måste lämnas mellan fibern och kapillären, eftersom det senare kan innehålla ± 10 | im variationer i diameter. Se figur 1 för en representation. Detta dokument beskriver den experimentella procedur för att skriva FBGs på detta sätt och ger exempel på möjliga förbättringar. För mer information, se tidigare publicerade simuleringar ¹⁰ och experimentella resultat ^11.

Figur 1. Diagram över polerad kapillärrör som används i FBG produktjon. Den MCF är placerad inuti kapillärröret. Gapet mellan de två bör vara liten, men tillåta små variationer i diameter. UV ljus som har passerat genom fasmaskeringen går sedan systemet genom den platta sidan av kapillärröret. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Protocol

1. Beredning av Polerat Kapillärrör (ANFF OptoFab)

1. Skaffa glas kapillärrör med innerdiameter svara mot fiberdiameter. Ju närmare i storlek, desto bättre prestanda, men se till att en ± 10 | im variation i kapillärstorlek är tillåten för. Ta bort alla skyddsbeläggningar från kapillärrören. Raka av beläggningar med ett rakblad för att ta bort dem utan att skada rören.
2. Avsmalna kapillärrören till en mindre diameter om så önskas. Använda en dator-styrd automatisk formningsmaskin om den är tillgänglig.
   1. Säkra en rörlängd med klämmor vid vardera änden.
   2. Värma kapillären till smältpunkt jämnt runt dess diameter med hjälp av en het glödtråd belägen mellan klämmorna.
   3. Dra kapillären genom värmeelementet med en konstant spänning tills den önskade längden har avsmalnande för att den mindre diametern.
3. Skär kapillärröret i ungefär lika längder with ett glas skärverktyg. Se till att dessa är åtminstone 2 cm längre än den avsedda galler längd men tillräckligt små för att passa in i poler utrustning som används. Notera: För detta experiment framställdes en kapillärlängd av 7 cm användes.
4. Fäst 8-10 av kapillära längder till ett glas puck med hjälp av UV-härdande lim. Installera pucken på en jigg kompatibel med lapp / polermaskin.
5. Använd läppning / polermaskin för att slipa de exponerade väggarna hos kapillärrören till en plan yta. VARNING: Undvik inandning av löst grus. Obs: Den slipande elementet är Al ₂ O ₃ i en suspension av omvänd-osmos renat vatten.
   1. Använd 25 pm korn tills den återstående tjockleken hos kapillärväggen är cirka 70 pm. Använda en mikrometer för att mäta förskjutningen av jiggen vid slipning och därmed det belopp som har tagits bort.
   2. Växla till 5 ^ m grit och mala tills den återstående väggtjockleken är ungefär 50 | im.
   3. Använd läppning / polermaskin för att polera den tillplattade ytan i minst 3 h med hög renhet kolloidal kiseldioxid i alkalisk dispersion (NaOH). Obs: Detta återställer ytan till optisk kvalitet. Kiseldioxiden kan förhindras från att stelna genom att tillsätta en del 0,004 M NaOH till 3 delar polering lösning.
   4. Separera kapillärrören från anläggningen pucken genom att blötlägga natten i aceton.
   5. Undersök kapillärrören i båda ändar under ett mikroskop med 10x förstoring för att kontrollera väggtjockleken. Notera: En god kvalitet kapillär kommer att ha en jämn tunn (~ 50 | im) vägg utmed dess längd.

   2. Skapande av galler

   1. Hydrera MCF att öka fotosensitivitet.
      1. Placera fibrerna som skall hydreras i en förseglad lufttät kammare. VARNING: Se till att kammaren är ordentligt fastskruvad på grund av närvaron av trycksatta gaser.
      2. Pump med hög renhet H ₂ in i kammaren. Använd _N2
      3. Lämna fibrerna inuti kammaren under en längre tid: 2 veckor vid 300 bar och rumstemperatur, eller 3 dagar vid 380 bar och 80 ° C.
      4. Ventilera gaserna från kammaren och avlägsna fibrerna. VARNING: Se till att rummet är väl ventilerat. Gaser kan fungera som kvävande gaser eller brandrisken när det gäller _H2.
      5. Hålla fibrerna i en frys med temperaturen -70 ° C eller lägre tills de används. Detta minskar hastigheten av väte avgasning och bevarar den ökade ljuskänslighet.
   2. Skala den skyddande beläggningen från MCF. Strip MCFs samma storlek som SMF med en standard SMF fiber strippa; annars raka av beläggningen med ett rakblad. Avlägsna beläggningen från den region där gittret skall skrivas, hela vägen till änden av fibern.
   3. Sätt den avskalade änden av fibern in i kapillärröret, och skjut röret utmed fibern så att den täcker regionen b e inskriven.
   4. Sätt på UV-skyddsglasögon. Montera fibern på den rörliga scenen som håller fasmasken, med den platta sidan av kapillärröret vinklad mot fasmasken. Se till att fibern är placerad inuti interferensmönstret som skapas av masken, men inte röra själva masken eftersom det kan orsaka skador.
   5. Rikta in 244 nm laser så att balken är vinkelrät mot den plana ytan av fasmasken. Se till att fibern får minst 90 mW av lasereffekten.
   6. Exponera en 4 cm längd av fibern till UV interferensmönster genom att flytta fibern och fasmasken tillsammans med avseende på den inkommande strålen med en hastighet av 0,25 mm / min.
   7. Ta bort kapillärröret från fibern.
   8. Glödga gittret vid 110 ° C under 20 h för att stabilisera våglängden svaret. Obs: Detta steg är valfritt eftersom gallret kommer att stabiliseras av sig själv under loppet av ungefär tre dagar, men glödgning gör processen snabbare.
   e_title "> 3. Analys av Spectra
   1. Klyva båda ändarna av fibern. Använd en fiber köttyxa som tillåter användaren att ställa in både fiberdiameter och spänning för att säkerställa en plan ändyta.
   2. Belysa en ände av fibern med användning av en avstämbar laser med en central våglängd approximativt anpassad till Bragg-våglängden.
   3. Anslut en CCD-kamera till en dator med programvara kontroll för att visa och spela in fiberutgång. Bild fiberutgång med CCD-kameran, med hjälp av ett mikroskop objektiv med 50X förstoring framför kameran för att se till att alla kärnor omfattar flera CCD pixlar. Obs: Följande steg 3.4.1 - 3.5.5 är specifika för den anpassade programvara som används av författarna och utgör endast en metod för att fånga spektra.
      1. Välj ett cirkulärt område av pixlar som motsvarar varje kärna genom att klicka på centra kärnor som de visas i bilden i styrmjukvaran. Ange diameter av kärnorna i enheter av bildpunkter i "längd eller diameter &# 39; fält.
      2. Registrera pixelvärden som registrerats av kameran för de valda områdena. Summera värdena för alla bildpunkter som täcker en given kärna att kvantifiera det totala genomströmningen vid denna våglängd.
   4. Anslut avstämbar laser för att styr dator så att observationer och datainsamling kan automatiseras.
      1. Ange en våglängd cirka 5 nm under Bragg våglängd i "Start våglängd fältet.
      2. Ställ in våglängden ökningen av lasern till 0,01 nm i "Scan - Steg fältet. Obs: Ställ in fördröjning mellan åtgärder för att åtminstone 300 ms, så att laser är stabil vid varje våglängd innan mätningar registreras och nästa våglängdssteg sker.
      3. Ange en våglängd cirka 5 nm större än Bragg våglängd i "End våglängd fältet.
      4. Klicka på "Automatic Scan" för att ställa lasern till definierade Start våglängd och öka våglängden av den valda steg vid förordnande tidsintervall.
      5. Registrera intensiteten överförs genom varje kärna för varje våglängdssteg. Exportera de beräknade värdena till en textfil genom att aktivera "textfilen Spara" alternativet.
   5. Upprepa skanning minst 3 gånger och genomsnittet i data från alla körningar.
   6. Plot överförda effekten som funktion av våglängd för varje kärna för att generera en uppsättning av spektra.
      1. Jämför spektra av alla kärnor för att bekräfta att de har samma dämpning egenskaper. Kontrollera att den centrala våglängden, djup och bandbredd för varje galler match.

Representative Results

Effektiviteten av denna teknik är bäst demonstreras genom att jämföra flerkärniga Fiber Bragg-gitter (MCFBGs) som en följd av exponering med och utan kapillär. Figur 2 visar transmissionsegenskaperna hos en 7-core MCF utsatt användning av standardmetoden för SMF, med individuell kärnspektra som representeras av olika färger. Det är minimal överlappning mellan de undertryckta våglängder och kärn # 5 har fått svagare exponering resulterar i en grundare skåra. Båda dessa effekter beror på variationer i kraft inom fibern under skrivprocessen. Observera att den platta cutoff vid -36 dB är på grund av den begränsade dynamiska omfånget av kameran; alla transmissionsvärdena skalas i förhållande till detta minimum.

Figur 2. Utförande av MCFBG kärnor utan kompensation för objektiving. Detta diagram visar transmissionsspektra av enskilda kärnor när MCFBG produceras med hjälp av standardmetoden för SMF. Det är minimal överlappning mellan skårorna. (Infälld) Diagram över kärn numrering. Anpassad från föregående publicering ^11. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

I figur 3, används samma data visas för en identisk fiber som exponerades inuti ett kapillärrör med innerdiameter 140 ^ m. (Observera att Bragg våglängderna cirka 2 nm lägre än i det tidigare fallet eftersom detta gitter utlöptes innan mätning. Variationen mellan kärnorna hålls före och efter glödgning.) I detta MCFBG, 6 av 7 kärnor har väl inriktade skåror, med ett överlapp centrerad vid 1548,25 ± 0,01 nm. Den felinriktade kärna, som är belägen vid centrum avfibern, har en Bragg-våglängden 100 pm kortare än de andra. Effekten av att ha denna inkompatibla kärna är att begränsa fiber totala dämpning till -8.5 dB; Med andra ord, kan ^{1/7: e} av ljuset vid 1548,25 nm passera fritt genom MCFBG. Om endast de yttre kärnorna är inkluderade i beräkningen (dvs kärn # 1 är blockerad eller på annat sätt ej belyst), en maximal dämpning av> 36 dB är möjlig. Dessa resultat återges grafiskt i Figur 4.

Figur 3. Utförande av MCFBG kärnor med polerad kapillärrör. Transmission profiler för alla gitter i 7-kärnfiber med kapillärröret för att kompensera för linsning. Våglängderna återspegling av de yttre sex kärnor överlappar centrerad på 1548,25 ± 0 0,01 nm. Gallret svar av Core # 1, som ligger i center av fibern, är förskjuten i riktning mot kortare våglängder. (Infälld) Diagram över kärn numrering. Anpassad från föregående publicering ^11. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 4. Övergripande prestanda MCFBG. Jämförelse av den totala fiberprestanda med (blå) och utan (grönt) den centrala kärnan ingår. Anpassad från föregående publicering ^11. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Discussion

Figurerna 2 och 3 visar tillsammans att införa den polerade kapillärröret (PCT) när man skriver gitter är tillräcklig för att förbättra enhetligheten hos kärnspektra i MCFBG. Resten av inskriptionen processen är i stort sett oförändrad från etablerade metoder för att skapa SMF gitter och kan användas med de flesta befintliga FBG skriftsystem. Därför framställning av PCT som beskrivs i avsnitt 2 i protokollet är mest kritiska för att förbättra MCFBG enhetlighet. De bästa resultaten uppnås med rör där den polerade väggen har en konsekvent, liten tjocklek; den 50 ^ m tjocklek valts här ger en kompromiss mellan att bibehålla styrkan i glaset och minimerar avståndet mellan fibern och fasmasken.

Men även med PCT finns en ytterligare effekt som orsakar mitten kärnan i MCF att ha en annan våglängd som svar på de andra kärnorna. Vi använde en annan hydrering regime såsom nämns i steg 3,1 i protokollet avsnitt för att undersöka om variationen orsakades av en lägre väteupptagning i denna kärna, men ingen förbättring observerades. Variationen kan inte heller förklaras av kärnor gjutning skuggor på varandra under UV-exponering, eftersom detta skulle resultera i de yttre 6 kärnor även har dåligt matchade svar. Istället beteendet kan förklaras av den centrala kärnan som har olika optiska egenskaper till de andra, trots att de är identiska när de tillverkas.

MCFBGs kan inte användas som effektiva ersättningar för sina SMF motsvarigheter om inte alla kärnor i en och samma fiber har samma transmissionsspektrum. Vi avser att experimentera med sekundära korrigeringar av befintliga MCFs gjorda med PCT, med användning av effekterna av termisk och mekanisk påfrestning för att skifta de Bragg våglängder av de yttre kärnorna för att matcha centrum. Experimentet som beskrivs i den här artikeln kommer också att upprepas för större kärnnummer för att bestämma extent i vilken skuggning och radiella Bragg våglängdsvariationseffekter skala med antalet "ringar" av kärnor.

Tekniken är för närvarande begränsad i effektivitet i fallet med mycket stora fibrer eller höga kärnnummer. I det förra fallet är de kärnor i ett stort fiber som är längst från den inkommande strålen inte utsatt för interferensmönstret. Detta beror på att vi använder en Mach-Zender-interferometer i dessa experiment som begränsar den maximala skriv djup; denna effekt beror på interferensmönstret sträcker sig bara några hundra mikrometer utanför fasmaskeringen. Vi har för avsikt att ta itu med detta i framtida experiment med en omdesignad Sagnac-interferometer, som kommer att ha en skärpedjup åtminstone dubbelt så stor som den nuvarande utrustningen. I det andra fallet där det totala kärn antalet är stort, kan vissa kärnor placeras i skuggor av kärnor närmare fasmaskeringen. Effekten av detta på MCFBG kvalitet är ännu inte känt, vi kommer att UNDERSÖKNINGte detta med 19-, 37-, och 55-core fibrer med användning av metoden beskriven ovan.

Dessa experiment har visat att minimala, billiga ändringar gitter skrivande förfarande kan förlänga dess giltighet utanför SMF. När MCFBGs kan skapas med filtreringskapacitet som är lika med befintlig SMF-teknik, kan de användas i varje tillämpning av fotonik, tillåter byggandet av kompakta och robusta enheter utan att offra prestanda. Som beskrivits i inledningen, är författarnas främsta mål att införliva MCFBGs till nya astronomiska instrument; men de kan potentiellt användas i alla system som redan använder sig av single-mode optik och / eller korrekt våglängd filtrering. Liksom deras single-mode motsvarigheter, kan MCFBGs användas i transmission och reflektion beroende på tillämpningen.

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