Rédaction de Bragg dans les fibres multipaires

Introduction

Réseaux de Bragg sur fibre (FBG) de sont largement utilisés comme filtres à bande étroite en raison du fait qu'ils peuvent être personnalisés pour un grand nombre d'applications ^1. Ils ne sont pas limités à la suppression des longueurs d'onde individuelles; Les spectres de transmission complexe peut être réalisé par l'utilisation de apériodiques des variations d'indice de réfraction ^2. Une limitation est que les FBG ne peuvent être inscrites dans des fibres monomodes (SMF), car la longueur d'onde qui est supprimée pendant une période de réseau donnée dépend de la constante de propagation. Dans une fibre multimode (MMF), dans lequel chaque mode présente une constante de propagation différente, la longueur d'onde supprimée pour chaque mode est différent et par conséquent, le réseau ne donne pas une suppression forte à toute longueur d'onde unique.

L'impulsion de cette expérience provient de l'astronomie. Lorsque la visibilité est limitée, le couplage direct dans un SMF est difficile et inefficace; optique adaptative extrêmes sont tenus de le faire ^3. À cause de cela, FMM sont typmatiquement utilisé lors de la collecte de lumière du plan focal du télescope ^4. Par conséquent, afin de maintenir la fonctionnalité disponible uniquement pour les fichiers SMF, il est nécessaire d'avoir une conversion efficace entre SMF et FMM. Ceci est rendu possible avec la lanterne photonique, un dispositif qui se compose d'un port multimode connecté à un réseau de SMF via une transition conique ^5. Lanternes photoniques ont été utilisés dans l'instrument GNOSIS, dans lequel le contenu SMF FBG pour éliminer les raies d'émission atmosphériques (causés par les radicaux OH et d' autres molécules) à partir d' observations dans le proche infrarouge ^6. Les inconvénients de l'utilisation individuels, SMF single-core pour cette tâche sont qu'ils doivent être écrites une par une et épissés individuellement dans le train optique, ce qui nécessite beaucoup de temps et d'effort manuel. La technique décrite dans cet article tente de remédier à ces lacunes en utilisant un format de fibre plus complexe pour fournir la fonctionnalité monomode.

La prochaine génération OH supprinstrument ession PRAXIS ⁷ fera usage de fibres multi-core (MCF). Ces fibres contiennent un nombre quelconque de noyaux simples-moded noyées dans une seule gaine. L'avantage de cette approche est que le MCF peut être effilé dans un MMF avec la lanterne photonique résultante étant une unité autonome compacte et robuste. Dans l'instrument terminé, la lumière du télescope sera couplé au port MMF de la lanterne; la transition conique va séparer cette lumière dans les noyaux monomodes où il passera par le FBG. Après la longueur d'onde de filtrage de la lumière restante est dispersée sur un détecteur, les spectres recueillis.

Utilisation de MCF accélère également le processus de réseaux d'écriture, comme tous les noyaux peuvent être inscrits en une seule passe. Cependant, le processus d'écriture doit être modifiée afin de faire en sorte que tous les noyaux ont les mêmes caractéristiques de réflexion. En effet, la surface incurvée de la gaine agit comme une lentille en face d'écriture des FBG res,Ulting dans un domaine UV qui varie en puissance et la direction au niveau de chaque noyau latéral si la méthode d'écriture standard est utilisée. Ainsi , chaque noyau aura un profil de transmission différent, et la fibre ne fournira pas une forte répression à une seule longueur d' onde ^8.

Un groupe au Naval Research Laboratory a expérimenté avec la modification de la distribution et de la photosensibilité des noyaux d'annuler les effets de cette variation ^9. L'inconvénient d'utiliser une telle approche est que la fibre doit être repensé pour chaque combinaison de la taille de la gaine, la taille de base, le nombre de noyaux et la composition chimique. En outre, l'absence de symétrie axiale dans les plans résultants signifie que le MCF ne peut être efficacement effilée dans une MMF avec un noyau circulaire. Cet article détaille une approche différente du problème: modifier le champ dans la fibre en la faisant passer à travers une surface plane au lieu d'être directement incident sur le dallage. En utilisant cette approche se traduit par unetechnique qui est transférable à une variété de modèles et de tailles MCF, en particulier les fibres axialement symétriques que nous souhaitons intégrer dans des lanternes photoniques.

Pour créer la surface plane nécessaire, le MCF est placé à l'intérieur d'un tube capillaire transparent aux UV qui a été broyé et poli sur un côté pour donner une paroi extérieure plane. Un petit espace doit être laissé entre la fibre et le capillaire, étant donné que celui-ci peut contenir ± 10 um variations de diamètre. Voir la Figure 1 pour une représentation. Le présent document décrit la procédure expérimentale pour écrire FBG de cette manière et de fournir des exemples des améliorations possibles. Pour plus d' informations , voir simulations publiées précédemment ¹⁰ et les résultats expérimentaux ^11.

Figure 1. Schéma du tube capillaire poli tel qu'il est utilisé dans le produit FBGions. Le MCF est placé à l' intérieur du tube capillaire. L'écart entre les deux devrait être faible, mais permettre à de petites variations de diamètre. La lumière UV qui est passé à travers le masque de phase entre alors dans le système par le côté plat du tube capillaire. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Protocol

1. Préparation du poli Capillaire Tubes (ANFF OptoFab)

1. Obtenir des tubes capillaires en verre ayant un diamètre interne étroitement adapté au diamètre de la fibre. Le plus proche de la taille, meilleure est la performance, mais veiller à ce qu'une variation de ± 10 um de dimension capillaire est autorisée pour. Retirez tous les revêtements protecteurs des tubes capillaires. Raser les revêtements avec une lame de rasoir pour les enlever sans endommager les tubes.
2. Effiler les tubes capillaires d'un diamètre plus petit si nécessaire. Utiliser une machine de biseautage automatique commandé par ordinateur, si disponible.
   1. Fixer une longueur de tube avec des brides à chaque extrémité.
   2. Chauffer le capillaire à point de fusion uniformément autour de son diamètre à l'aide d'un filament chaud situé entre les pinces.
   3. Tirer le tube capillaire à travers l'élément chauffant avec une tension constante jusqu'à ce que la longueur souhaitée a été effilée à un diamètre plus petit.
3. Couper le tube capillaire en wi longueurs approximativement égalesth un outil de coupe de verre. Assurez-vous que ce sont au moins 2 cm de plus que la longueur du réseau prévu, mais assez petit pour tenir dans l'équipement de polissage utilisé. Remarque: Pour cette expérience, une longueur de capillaire de 7 cm a été utilisé.
4. Fixer 8-10 des longueurs de capillaires à une rondelle de verre avec de la colle à séchage UV. Installer la rondelle sur un gabarit compatible avec la machine de rodage / polissage.
5. Utilisez la machine de rodage / polissage pour broyer les parois exposées des tubes capillaires sur une surface plane. ATTENTION: Ne pas inhaler les graviers. Remarque: L'élément abrasif est Al ₂ O ₃ dans une suspension d'eau purifiée par osmose inverse.
   1. Utiliser 25 um grain jusqu'à ce que l'épaisseur restante de la paroi du capillaire est d'environ 70 um. Utiliser un micromètre pour mesurer le déplacement du gabarit pendant le broyage et donc la quantité qui a été enlevée.
   2. Passez à 5 pm grain et broyer jusqu'à ce que l'épaisseur restante de la paroi est d'environ 50 um.
   3. Utilisez le clapotis / machine de polissage pour polir la surface aplatie pendant au moins 3 h avec de haute pureté de la silice colloïdale en dispersion alcaline (NaOH). Note: Ceci restaure la surface à la qualité optique. La silice peut être empêchée de se solidifier en ajoutant 1 partie NaOH 0,004 à 3 parties de solution de polissage.
   4. Séparer les tubes capillaires de la rondelle de maintien par trempage pendant une nuit dans de l'acétone.
   5. Examiner les tubes capillaires aux deux extrémités sous un microscope avec un grossissement de 10X pour vérifier l'épaisseur de paroi. Note: Un bon capillaire de qualité aura une mince (~ 50 um) paroi uniforme le long de sa longueur.

   2. Création de caillebotis

   1. Hydrogéner le MCF pour augmenter la photosensibilité.
      1. Placer les fibres à hydrogéner dans une chambre étanche à l'air scellé. ATTENTION: Veiller à la chambre est solidement boulonné en raison de la présence de gaz sous pression.
      2. Pompe haute pureté H ₂ dans la chambre. L' utilisation de N ₂
      3. Laissez les fibres à l'intérieur de la chambre pendant une période prolongée: 2 semaines à 300 bars et la température ambiante, ou 3 jours à 380 bars et 80 ° C.
      4. Purger les gaz de la chambre et enlever les fibres. ATTENTION: Vérifiez que la pièce est bien ventilée. Les gaz peuvent agir comme asphyxiants, ou risque d'incendie dans le cas de H _2.
      5. Maintenir les fibres dans un congélateur à la température de -70 ° C ou moins jusqu'à ce qu'ils soient utilisés. Cela ralentit le taux de dégazage d'hydrogène et préserve la photosensibilité accrue.
   2. Dénuder le revêtement protecteur du MCF. Strip MCF la même taille que SMF avec un décapant de fibre SMF norme; sinon raser le revêtement avec une lame de rasoir. Retirer le revêtement de la région où le réseau doit être écrit, tout le chemin jusqu'à l'extrémité de la fibre.
   3. Insérer l'extrémité dénudée de la fibre dans le tube capillaire, le tube et le faire glisser le long de la fibre de sorte qu'elle recouvre la région de b e inscrit.
   4. Mettez anti-UV lunettes. Monter la fibre sur la platine mobile qui maintient le masque de phase, avec le côté plat du tube capillaire incliné vers le masque de phase. Veiller à la fibre est positionnée dans le motif d'interférence créée par le masque, mais ne pas toucher le masque lui-même, car cela pourrait causer des dommages.
   5. Aligner le laser à 244 nm de telle sorte que le faisceau soit perpendiculaire à la surface plane du masque de phase. Assurez-vous que la fibre reçoit au moins 90 mW de puissance laser.
   6. Exposer une longueur de 4 cm de la fibre pour le motif d'interférence UV en déplaçant la fibre et la phase ainsi que le masque par rapport au faisceau entrant à une vitesse de 0,25 mm / min.
   7. Retirer le tube capillaire de la fibre.
   8. Recuire le réseau de diffraction à 110 ° C pendant 20 heures afin de stabiliser la réponse en longueur d'onde. Remarque: Cette étape est facultative que le réseau va se stabiliser par lui-même au cours d'environ trois jours, mais le recuit rend le processus plus rapide.
   e_title "> 3. Analyse des spectres
   1. Cliver les deux extrémités de la fibre. Utiliser un hachoir de fibres qui permet à l'utilisateur de régler à la fois le diamètre des fibres et de tension pour assurer une surface d'extrémité plane.
   2. Illuminer une extrémité de la fibre en utilisant un laser accordable avec une longueur d'onde centrale sensiblement adaptée à la longueur d'onde de Bragg.
   3. Branchez une caméra CCD à un PC avec le logiciel de commande pour afficher et enregistrer la sortie de la fibre. L'image de la sortie de la fibre avec la caméra CCD, en utilisant un objectif de microscope avec un grossissement de 50X en face de la caméra pour faire en sorte que tous les noyaux recouvrent plusieurs pixels CCD. Remarque: Les étapes suivantes 3.4.1 - 3.5.5 sont spécifiques au logiciel personnalisé utilisé par les auteurs et ne représentent qu'un procédé de capture de spectres.
      1. Sélectionnez une région circulaire de pixels correspondant à chaque noyau en cliquant sur les centres de noyaux tels qu'ils apparaissent dans l'image dans le logiciel de contrôle. Entrez le diamètre des noyaux en unités de pixels dans la 'Longueur ou diamètre &# 39; champ.
      2. Enregistrer les valeurs de pixel enregistrées par la caméra pour les régions sélectionnées. Additionner les valeurs de tous les pixels couvrant un noyau donné pour quantifier le débit total à cette longueur d'onde.
   4. Connectez le laser accordable à la commande PC de sorte que les observations et la collecte de données peuvent être automatisées.
      1. Entrez une longueur d'onde d'environ 5 nm en dessous de la longueur d'onde de Bragg dans le champ 'Start Wavelength'.
      2. Régler l'incrément de longueur d'onde du laser à 0,01 nm dans le «Scan - Step 'champ. Remarque: Définissez le délai entre les étapes d'au moins 300 msec pour que lasing est stable à chaque longueur d'onde avant que les mesures sont enregistrées et l'étape de longueur d'onde suivante se produit.
      3. Entrez une longueur d'onde d'environ 5 nm supérieure à la longueur d'onde de Bragg dans le champ «Fin Wavelength».
      4. Cliquez sur le bouton «Scan automatique» pour régler le laser à la longueur d'onde de début définie et augmenter la longueur d'onde par l'incrément choisi au rèintervalles de temps lar.
      5. Enregistrez l'intensité transmise par chaque noyau pour chaque étape de longueur d'onde. Exporter les valeurs calculées à un fichier texte en activant l'option "Enregistrer le fichier texte.
   5. Répétez l'analyse au moins 3 fois et la moyenne des données de toutes les pistes.
   6. Plot puissance transmise par rapport longueur d'onde pour chaque noyau pour générer un ensemble de spectres.
      1. Comparer les spectres de tous les cœurs pour confirmer si elles ont les mêmes caractéristiques de suppression. Vérifiez que la longueur d'onde centrale, la profondeur et la largeur de bande de chaque match réseau.

Representative Results

L'efficacité de cette technique est le mieux démontré en comparant les réseaux de Bragg à fibre multicoeur (MCFBGs) qui résultent de l' exposition avec et sans le capillaire. La figure 2 montre les caractéristiques de transmission d'un 7-core MCF exposée en utilisant la méthode standard pour SMF, avec personne spectres de base représentés par des couleurs différentes. Il y a un chevauchement minimal entre les longueurs d'onde supprimées, et le noyau # 5 a reçu une exposition plus faible résultant dans une encoche peu profonde. Ces deux effets sont dus aux variations de puissance dans la fibre pendant le processus d'écriture. Notez que la coupure plate à -36 dB est due à la dynamique limitée de la caméra; toutes les valeurs de transmission sont mis à l'échelle par rapport à ce minimum.

Figure 2. Performance des MCFBG noyaux sans compensation pour objectifing. Ce graphique montre les spectres de transmission des noyaux individuels lorsque le MCFBG est produit en utilisant la méthode standard pour SMF. Il y a un chevauchement minimal entre les encoches. (Inset) Schéma de base numérotation. Adapté de la publication précédente ^11. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Sur la figure 3, les mêmes données sont présentées pour une fibre identique qui a été exposée à l' intérieur d' un tube capillaire avec un diamètre interne de 140 pm. (Notez que les longueurs d'onde de Bragg sont d'environ 2 nm plus faible que dans le cas précédent, ce réseau a été recuite avant la mesure. La variation entre les noyaux est maintenue avant et après recuit.) Dans ce MCFBG, noyaux 6 sur 7 ont des encoches bien alignés, avec un chevauchement centrée à 1548,25 ± 0,01 nm. Le noyau désaligné, qui est situé au centre dela fibre, a une longueur d'onde de Bragg 100 heures plus courtes que les autres. Le fait d'avoir ce noyau ne correspondent pas à limiter la suppression totale de la fibre à -8.5 dB; en d' autres termes, 1/7 ^e de la lumière à 1548,25 nm peut passer librement à travers le MCFBG. Si seulement les noyaux externes sont inclus dans le calcul (c. -à- coeur # 1 est bloqué ou autrement non éclairé), une suppression maximale de> 36 dB est possible. Ces résultats sont représentés graphiquement sur ​​la figure 4.

Figure 3. Performance des noyaux MCFBG avec le tube capillaire poli. Profils de transmission de tous les réseaux de diffraction dans la fibre 7-noyau avec le tube capillaire utilisé pour compenser l' effet de lentille. Les longueurs d'onde de réflexion des extérieurs six noyaux se chevauchent centrées à 1548,25 ± 0 0,01 nm. La réponse de réseau de noyau n ° 1, qui se trouve dans la CEnter de la fibre, est décalée vers des longueurs d'onde plus courtes. (Inset) Schéma de base numérotation. Adapté de la publication précédente ^11. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 4. La performance globale de MCFBG. Comparaison de la performance globale de la fibre avec (bleu) et sans (vert) du noyau central inclus. Adapté de la publication précédente ^11. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Discussion

Les figures 2 et 3 montrent en même temps que l' introduction du tube capillaire polie (PCT) lors de l' écriture des réseaux est suffisante pour améliorer l'uniformité des spectres de base dans le MCFBG. Le reste du processus d'inscription est en grande partie inchangé par rapport à des méthodes établies pour la création de réseaux de SMF et peut être utilisé avec la plupart des systèmes existants d'écriture FBG. D'où la préparation des PCT comme indiqué dans l'article 2 du protocole est le plus critique pour améliorer MCFBG uniformité. Les meilleurs résultats sont obtenus avec des tubes où la paroi polie a une constante, faible épaisseur; l'épaisseur de 50 um choisie ici donne un compromis entre le maintien de la solidité du verre et minimisant la distance entre la fibre et le masque de phase.

Cependant, même avec le PCT y a un effet supplémentaire qui amène le noyau du milieu MCF à avoir une réponse en longueur d'onde différente de celle des autres noyaux. Nous avons utilisé une hydrogénation reg différenteime comme mentionné à l'étape 3.1 de la section de protocole afin de déterminer si la variation a été causée par une absorption d'hydrogène plus faible dans ce noyau, mais aucune amélioration n'a été observée. La variation aussi ne peut pas être expliqué par des noyaux de coulée des ombres sur l'autre lors de l'exposition aux UV, comme cela se traduirait par les extérieurs 6 noyaux ayant également des réponses mal appariés. En revanche, le comportement peut être expliqué par le noyau central ayant des propriétés optiques différentes aux autres, tout en étant identiques lorsqu'ils sont fabriqués.

MCFBGs ne peut pas être utilisé comme remplacement efficaces pour leurs homologues SMF à moins que tous les noyaux dans une seule fibre ont le même spectre de transmission. Nous avons l'intention d'expérimenter avec des corrections secondaires à MCF existantes réalisées avec le PCT, en utilisant les effets de la contrainte thermique et mécanique pour déplacer les longueurs d'onde de Bragg des noyaux externes pour correspondre au centre. L'expérience décrite dans cet article sera également répété pour les nombres de base plus importants pour déterminer le posteent à laquelle l'échelle des effets shadowing et radial de Bragg longueur d'onde de variation du nombre de «anneaux» de noyaux.

La technique est actuellement limitée à l'efficacité dans le cas de très grandes fibres ou un nombre élevé de base. Dans le premier scénario, les noyaux dans une grande fibre qui sont les plus éloignées du faisceau d'entrée ne sont pas exposées au motif d'interférence. En effet, nous utilisons un interféromètre de Mach-Zender dans ces expériences, ce qui limite la profondeur maximale d'écriture; cet effet se produit parce que le motif d'interférence se prolonge seulement quelques centaines de microns au-delà du masque de phase. Nous avons l'intention d'aborder la question dans des expériences futures avec un interféromètre de Sagnac redessiné, ce qui aura une profondeur de champ au moins deux fois celle de l'équipement actuel. Dans la deuxième situation où le nombre de base total est grande, certains noyaux peuvent être placés à l'intérieur des ombres projetées par des noyaux plus proche du masque de phase. L'effet de cette situation sur la qualité MCFBG est pas encore connue; nous Investigate avec cette 19-, 37- et 55-core des fibres en utilisant le procédé décrit ci-dessus.

Ces expériences ont montré que minimes, les changements peu coûteux à la procédure d'écriture réseau peut étendre son application au-delà de SMF. Une fois MCFBGs peut être créé avec des capacités de filtrage correspondant à la technologie SMF existant, ils peuvent être utilisés dans toutes les applications de la photonique, ce qui permet la construction d'appareils compacts et robustes, sans sacrifier les performances. Comme indiqué dans l'introduction, principal objectif des auteurs est d'intégrer MCFBGs dans de nouveaux instruments astronomiques; cependant, ils peuvent potentiellement être utilisés dans tout système qui fait déjà l'utilisation de l'optique monomode et / ou le filtrage de longueur d'onde précise. Comme leurs homologues monomodes, MCFBGs peut être utilisé dans la transmission et la réflexion en fonction de l'application.

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