Skrivning Bragg Riste i Multicore Fibers

Introduction

Fiber-Bragg-gitre (FBG'er) er almindeligt anvendt som smalbånd filtre på grund af det faktum at de kan tilpasses til en lang række formål ^1. De er ikke begrænset til at undertrykke enkelte bølgelængder; kompleks transmission spektre kan skabes ved anvendelse af aperiodiske brydningsindeks variationer ^2. En begrænsning er, at FBG'er kun kan indskrives i single-mode fibre (Standard MIDI), som den bølgelængde, der undertrykkes i en bestemt gitterperiode afhænger udbredelseskonstanten. I en multimode fiber (MMF), hvor hver funktion har en anden udbredelseskonstant, den undertrykte bølgelængde for hver tilstand er forskellige og dermed risten giver ikke stærk undertrykkelse på et enkelt bølgelængde.

Incitamentet til dette eksperiment kommer fra astronomi. Under seeing-begrænsede betingelser, direkte kobling til en SMF er vanskelig og ineffektiv; ekstreme adaptiv optik er forpligtet til at gøre det ^3. På grund af dette, pengemarkedsforeninger er typtisk bruges, når indsamle lys fra teleskopet brændplan ^4. Derfor for at holde funktionaliteten kun tilgængelig for Standard MIDI, er det nødvendigt at have en effektiv konvertering mellem Standard MIDI og pengemarkedsforeninger. Dette er gjort muligt med den fotoniske lanterne, en anordning, som består af en multimode-port forbundet til et array af Standard MIDI via en tilspidsning overgang ^5. Fotoniske lanterner blev anvendt i GNOSIS instrument, hvori Standard MIDI indeholdt FBG'er at fjerne atmosfæriske emissionslinjer (forårsaget af OH-radikaler og andre molekyler) fra nær-infrarøde observationer ^6. Ulemperne ved at bruge individuelle, single-core Standard MIDI til denne opgave er, at de skal skrives én efter én og splejset individuelt i den optiske tog, der kræver en betydelig mængde tid og manuel indsats. Den i denne artikel teknik forsøger at afhjælpe disse mangler ved hjælp af en mere kompleks fiber format at tilvejebringe den single-mode funktionalitet.

Den næste generation af OH suppression instrument PRAXIS ⁷ vil gøre brug af multi-core fibre (MCFs). Disse fibre indeholder antallet af enlige-moded kerner indlejret i en enkelt beklædning. Fordelen ved denne fremgangsmåde er, at MCF kan være tilspidset i en MMF med den resulterende fotoniske lanterne er en kompakt og robust selvstændig enhed. I det færdige instrument, vil lyset fra teleskopet kobles ind i MMF porten på Lygten; konus overgang vil adskille dette lys ind i de enkelt-mode kerner, hvor det vil passere gennem FBG'erne. Efter bølgelængden filtrering af resterende lys spredes til en detektor, spektrene opsamles.

Brug MCFs også fremskynder processen med at skrive riste, da alle kerner kan indskrives i en enkelt passage. Dog skal skriveprocessen ændres for at sikre, at alle kerner har de samme reflektionsegenskaber. Dette skyldes den krumme overflade af kappen fungerer som en linse under side-skrivning af FBG'erne, resulting i et UV-felt, som varierer i styrke og retning på hver kerne, hvis der anvendes standard side-skrivning metoden. Derfor hver kerne vil have en anden transmission profil, og fiberen vil ikke give stærk undertrykkelse ved en enkelt bølgelængde ^8.

En gruppe på Naval Research Laboratory eksperimenteret med at ændre fordelingen og lysfølsomhed af kerner til at ophæve virkningerne af denne variation ^9. Ulempen ved at anvende en sådan fremgangsmåde er, at fiberen skal redesignet for hver kombination af beklædning størrelse, core størrelse, antallet af kerner og kemiske sammensætning. Desuden manglen på aksial symmetri i de resulterende design betyder, at MCF ikke effektivt kan tilspidset i en MMF med en cirkulær kerne. Dette papir beskriver en anden tilgang til problemet: modificering af feltet i fiberen ved at have det passere gennem en flad overflade i stedet for at være direkte hændelse på den buede beklædning. Brug af denne fremgangsmåde resulterer i enteknik, som kan overføres til en bred vifte af MCF designs og størrelser, især de aksialt symmetriske fibre, som vi ønsker at inkorporere i fotoniske lanterner.

At skabe den nødvendige flad overflade, er den MCF anbragt i en UV-transparent kapillarrør, som er blevet slebet og poleret på den ene side at give en flad ydre væg. En lille spalte skal efterlades mellem fiberen og kapillarrøret, da sidstnævnte kan indeholde ± 10 um variationer i diameter. Se figur 1 for en afbildning. Dette papir beskriver den eksperimentelle procedure til at skrive FBG'er på denne måde og give eksempler på de mulige forbedringer. For mere information se tidligere offentliggjorte simuleringer ¹⁰ og eksperimentelle resultater ^11.

Figur 1. Diagram af poleret kapillarrør som anvendt i FBG produktion. Den MCF er placeret inde i kapillarrøret. Mellemrummet mellem de to bør være lille, men tillade små variationer i diameter. UV lys, som er passeret gennem fase maske derefter ind i systemet gennem den flade side af kapillarrøret. Klik her for at se en større version af dette tal.

Protocol

1. Udarbejdelse af Poleret Kapillær Tubes (ANFF OptoFab)

1. Opnå glas kapillarrør med indre diameter nøje til fiber diameter. Jo tættere i størrelse, jo bedre resultater, men sikre, at en ± 10 um variation i kapillær størrelse er tilladt. Fjern eventuelle beskyttende belægninger fra kapillarrør. Barbere overtræk med et barberblad til at fjerne dem uden at beskadige rørene.
2. Taper kapillarrørene til en mindre diameter, hvis det kræves. Brug en computer-styrede automatiske tilspidsende maskinen, hvis tilgængelig.
   1. Sikre et stykke rør med klemmer i hver ende.
   2. Opvarm kapillarrøret til smeltepunkt jævnt omkring dens diameter ved anvendelse af en varm glødetråd anbragt mellem klemmerne.
   3. Tegn kapillærrøret gennem varmeelementet med en konstant spænding, indtil den ønskede længde er blevet tilspidset til den mindre diameter.
3. Skær kapillarrøret i omtrent lige længder with et glas skæreværktøj. Sørg for, at disse er mindst 2 cm længere end den tilsigtede rist længde, men små nok til at passe inden for polering udstyr, der anvendes. Bemærk: Til dette forsøg blev en kapillær længde på 7 cm anvendes.
4. Fastgør 8-10 af de kapillære længder til et glas puck anvendelse af UV-hærdende lim. Installer pucken på en jig kompatibelt med skvulpen / polermaskine.
5. Brug skvulpen / polermaskine til at slibe de udsatte vægge af kapillarrørene til en flad overflade. ADVARSEL: Undgå indånding løs grus. Bemærk: slibeelementet Al ₂ O ₃ i en suspension af omvendt-osmose renset vand.
   1. Brug 25 um grit indtil den resterende tykkelse af den kapillære væg er ca. 70 um. Brug et mikrometer til måling af forskydningen af ​​jig under formaling og dermed det beløb, der er blevet fjernet.
   2. Skift til 5 um grus og male i den resterende tykkelse af væggen er ca. 50 um.
   3. Brug skvulpen / polering maskine at polere den udfladede overflade i mindst 3 timer med høj renhed kolloidt silica i alkalisk dispersion (NaOH). Bemærk: Dette gendanner overfladen for optisk kvalitet. Den silica kan forhindres i at størkne ved tilsætning af 1 del 0,004 M NaOH til 3 dele polering opløsning.
   4. Adskil kapillarrørene fra bedriften pucken ved opblødning natten over i acetone.
   5. Undersøg kapillarrør i begge ender under et mikroskop med 10X forstørrelse til at kontrollere vægtykkelsen. Bemærk: En god kvalitet kapillær vil have en ensartet tynd (~ 50 um) væg langs dens længde.

   2. Oprettelse af Riste

   1. Hydrogenere MCF at øge lysfølsomhed.
      1. Placer fibrene skal hydrogeneres i en forseglet lufttæt kammer. ADVARSEL: Sørg for kammeret er sikkert boltet på grund af tilstedeværelsen af ​​trykbærende gasser.
      2. Pumpe høj renhed _H2 ind i kammeret. Brug _N2
      3. Efterlad fibrene inde i kammeret i en længere periode: 2 uger ved 300 bar og stuetemperatur, eller 3 dage ved 380 bar og 80 ° C.
      4. Vent gasserne fra kammeret og fjerne fibrene. ADVARSEL: Sørg for god udluftning. Gasser kan virke som asphyxiants eller brandrisiko i tilfælde af _H2.
      5. Hold fibrene i en fryser med temperaturen -70 ° C eller derunder, indtil de anvendes. Dette forsinker hastigheden af ​​brint afgasning og bevarer den øgede lysfølsomhed.
   2. Strip den beskyttende belægning fra MCF. Strip MCFs samme størrelse som Standard MIDI med et standard SMF fiber stripper; ellers barbere overtrækket med et barberblad. Fjern belægningen fra den region, hvor gitteret skal skrives, hele vejen til enden af ​​fiberen.
   3. Sæt den afisolerede ende af fiberen ind i kapillarrøret, og skub røret langs fiberen, så det dækker regionen til b e indskrevet.
   4. Sæt på UV-beskyttelsesbriller. Montere fiberen på den bevægelige fase, som holder fasemasken, med den flade side af kapillarrøret vinklet mod fasemasken. Sørg for fiber er placeret inden for interferens mønster skabt af masken, men ikke røre masken selv, da dette kan forårsage skade.
   5. Ret 244 nm laser således at bjælken er vinkelret på den flade overflade af fase maske. Sørg for, at fiberen modtager mindst 90 mW laser magt.
   6. Blotlægge en 4 cm længde af fiberen til interferensmønstret UV ved at flytte masken fiber og fase sammen med hensyn til den indkommende stråle ved en hastighed på 0,25 mm / min.
   7. Fjern kapillarrøret fra fiberen.
   8. Anneale gitteret ved 110 ° C i 20 timer for at stabilisere bølgelængde respons. Bemærk: Dette trin er valgfrit, da gitteret vil stabilisere sig selv i løbet af cirka tre dage, men annealing gør processen hurtigere.
   e_title "> 3. Analyse af Spectra
   1. Spalte begge ender af fiberen. Brug en fiber spaltekniven, der tillader brugeren at indstille både fiberdiameteren og spændinger for at sikre en flad endeflade.
   2. Belyse den ene ende af fiberen ved anvendelse af en justerbar laser med en central bølgelængde tilnærmelsesvis tilpasset til Bragg bølgelængde.
   3. Tilslut et CCD-kamera til en pc med kontrol software til at vise og registrere produktionen fiber. Billede fiber output med CCD-kameraet, ved hjælp af et mikroskop objektiv med 50X forstørrelse foran kameraet for at sikre, at alle kerner dækker flere CCD pixels. Bemærk: Følgende trin 3.4.1 - 3.5.5 er specifikke for den brugerdefinerede software, der bruges af forfatterne og udgør kun én metode til at indfange spektre.
      1. Vælg et cirkulært område af pixels, der svarer til hver kerne ved at klikke på centrene af kerner, som de vises i billedet i styresoftware. Indtast diameteren af ​​kernerne i enheder af pixels i 'længde eller diameter &# 39; felt.
      2. Optag pixelværdierne registreret af kameraet for de valgte områder. Sum værdierne for alle pixels, der dækker en given kerne at kvantificere den samlede gennemløb på den bølgelængde.
   4. Slut afstemmelig laser til styringen pc, så observationer og dataindsamling kan automatiseres.
      1. Indtast en bølgelængde ca. 5 nm under Bragg bølgelængde i 'Start Bølgelængde' felt.
      2. Indstil bølgelængden tilvækst af laseren til 0,01 nm i "Scan - Step 'felt. Bemærk: Indstil forsinkelsen mellem trin til mindst 300 msek, således at udsende laserstråler, er stabil ved hver bølgelængde, før målinger registreres og det næste bølgelængde trin forekommer.
      3. Indtast en bølgelængde ca. 5 nm større end Bragg bølgelængde i "End Bølgelængde 'felt.
      4. Klik på knappen "Automatisk Scan 'for at indstille laseren til den definerede Start bølgelængde og øge bølgelængden af ​​den valgte tilvækst på regunende tidsintervaller.
      5. Optag intensiteten transmitteres gennem hver kerne for hver bølgelængde trin. Eksporter de beregnede værdier til en tekstfil ved at aktivere 'Tekst Fil Gem' mulighed.
   5. Gentag scanningen mindst 3 gange og gennemsnittet af data fra alle kørsler.
   6. Plot transmitterede effekt i forhold til bølgelængde for hver kerne for at generere et sæt af spektre.
      1. Sammenlign spektre af alle kerner for at bekræfte, om de har samme undertrykkelse egenskaber. Kontroller, at den centrale bølgelængde, dybde og båndbredde på hver rist kamp.

Representative Results

Effektiviteten af denne teknik er bedst demonstreret ved at sammenligne med flere kerner fiber Bragg-gitre (MCFBGs), der skyldes eksponering med og uden kapillarrøret. Figur 2 viser transmissions- karakteristika for en 7-core MCF udsat hjælp standardmetoden for Standard MIDI, med individuel core spektre repræsenteret ved forskellige farver. Der er minimal overlapning mellem de undertrykte bølgelængder, og kernen # 5 har modtaget svagere eksponering resulterer i en fladere hak. Begge virkninger skyldes variationer i magten i fiberen under skriveprocessen. Bemærk, at den flade cutoff ved -36 dB skyldes det begrænsede dynamiske område af kameraet; alle transmissionsnet værdier er skaleret i forhold til dette minimum.

Figur 2. Udførelse af MCFBG cores med ingen kompensation for objektiving. Dette plot viser transmission spektre af individuelle kerner, når MCFBG er fremstillet ved hjælp af standardmetoden for Standard MIDI. Der er minimal overlapning mellem indhakkene. (Indsat) Diagram over kerne nummerering. Tilpasset fra tidligere publikation ^11. Klik her for at se en større version af dette tal.

I figur 3 er de samme data vist for en identisk fiber, som blev eksponeret i et kapillarrør med indre diameter 140 um. (Bemærk, at Bragg bølgelængder er ca. 2 nm lavere end i det foregående tilfælde som dette gitter blev udglødet før målingen. Variationen mellem kerner opretholdes før og efter udglødning.) I denne MCFBG, 6 ud af 7 kerner har godt afstemt indskæringer, med en overlapning centreret ved 1548,25 ± 0,01 nm. Den skævt kerne, som er placeret i centrum forfiberen, har en Bragg bølgelængde 100 pm kortere end de andre. Virkningen af ​​at have denne uoverensstemmende kerne er at begrænse fiberens samlede undertrykkelse til -8.5 dB; med andre ord, kan 1/7 ^th af lyset ved 1548,25 nm passere frit gennem MCFBG. Hvis kun de ydre kerner medtaget i beregningen (dvs. core # 1 er blokeret eller på anden måde ikke oplyst), en maksimal undertrykkelse af> 36 dB er mulig. Disse resultater er vist grafisk i figur 4.

Figur 3. Udførelse af MCFBG kerner med blank kapillarrør. Transmission profiler af alle gitre i 7-core fiber med kapillarrøret anvendes til at kompensere for linsevirkning. De bølgelængder refleksion af de ydre seks kerner overlapper centreret ved 1548,25 ± 0 0,01 nm. Gitteret reaktion Core # 1, som er beliggende i cePil af fiberen, er forskudt i retning af kortere bølgelængder. (Indsat) Diagram over kerne nummerering. Tilpasset fra tidligere publikation ^11. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4. Det samlede ydeevne MCFBG. Sammenligning af den samlede fiber ydeevne med (blå) og uden (grøn) center kerne inkluderet. Tilpasset fra tidligere publikation ^11. Klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

Figur 2 og 3 viser sammen, som er tilstrækkelig til at forbedre ensartetheden af kernen spektre i MCFBG indføre den polerede kapillarrøret (PCT) når der skrives riste. Resten af ​​inskriptionen processen er stort set uændret fra etablerede metoder til oprettelse SMF riste og kan bruges med de fleste eksisterende FBG skriftsystemer. Derfor udarbejdelse af PCT som skitseret i afsnit 2 i protokollen er mest kritiske for at forbedre MCFBG ensartethed. De bedste resultater opnås med rør, hvor den polerede væg har en konsistent, lille tykkelse; den 50 um tykkelse vælges her giver et kompromis mellem at bevare styrken af ​​glasset og minimere afstanden mellem fiberen og fase maske.

Men selv med PCT der en yderligere virkning, der forårsager den midterste kerne MCF at have en anden bølgelængde reaktion på de andre kerner. Vi brugte en anden hydrogenering regime som nævnt i trin 3.1 i afsnittet protokol til at undersøge, hvorvidt ændringen skyldes en lavere hydrogenoptagelse i denne kerne, men blev ikke observeret nogen forbedring. Variationen kan heller ikke forklares med kerner støbning skygger på hinanden under UV-eksponering, da dette vil resultere i de ydre 6 kerner også har dårligt matchede svar. I stedet adfærd kan forklares ved den centrale kerne med forskellige optiske egenskaber til de andre, trods identiske når de fremstilles.

MCFBGs kan ikke anvendes som effektive erstatninger for deres SMF modparter, medmindre alle kerner inden for en enkelt fiber har samme transmission spektrum. Vi agter at eksperimentere med sekundære korrektioner eksisterende MCFs foretaget med PCT, ved hjælp af virkningerne af termisk og mekanisk belastning at flytte Bragg bølgelængder af de ydre kerner svarer til centret. Den beskrives i denne artikel eksperiment vil også blive gentaget til større centrale tal til at bestemme extent, som skygger og radial Bragg bølgelængde variation effekter skalere med antallet af "ringe" af kerner.

Teknikken er i øjeblikket begrænset i effektivitet for tilfældet med meget store fibre eller høje underliggende tal. I førstnævnte scenario er kerner i et stort fiber, der er længst fra den indkommende stråle ikke er udsat for interferensmønstret. Det er fordi vi bruger en Mach-Zender interferometer i disse eksperimenter, som begrænser den maksimale skrive dybde; denne virkning opstår, fordi interferensmønstret kun strækker sig et par hundrede mikrometer ud over fase maske. Vi agter at tage dette i fremtidige eksperimenter med en nydesignet Sagnac interferometer, som vil have en dybdeskarphed mindst det dobbelte af den nuværende udstyr. I den anden situation, hvor den samlede kerne nummer er stort, kan nogle kerner anbringes inden skygger fra kerner tættere til fase maske. Virkningen af ​​dette på MCFBG kvalitet er endnu ikke kendt; vi vil UNDERSØGELSEte dette med 19-, 37- og 55-kerne fibre ved anvendelse af fremgangsmåden beskrevet ovenfor.

Disse forsøg har vist, at minimale, billige ændringer risten skrivning procedure kan forlænge dens anvendelighed ud over Standard MIDI. Når MCFBGs kan laves med filtrering kapaciteter svarende til eksisterende SMF-teknologi, kan de være ansat i enhver anvendelse af fotonik, tillader opførelse af kompakte og robuste enheder uden at gå på kompromis ydeevne. Som beskrevet i indledningen, forfatternes primære mål er at indarbejde MCFBGs i nye astronomiske instrumenter; dog kan de potentielt være ansat i ethvert system, der allerede gør brug af single-mode optiske og / eller nøjagtig bølgelængde filtrering. Ligesom deres kolleger single-mode, kan MCFBGs bruges i transmission og refleksion afhængigt af 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