Introduction
Reticoli di Bragg (FBG) sono ampiamente utilizzati come filtri a banda stretta per il fatto che possono essere personalizzati per un gran numero di applicazioni 1. Essi non sono limitati a sopprimere singole lunghezze d'onda; spettri di trasmissione complessa può essere creata mediante l'uso di aperiodici variazioni di indice di rifrazione 2. Una limitazione è che FBGs possono essere incise soltanto in fibre monomodali (SMF), come la lunghezza d'onda che viene soppressa per un determinato periodo di reticolo dipende dalla costante di propagazione. In una fibra multimodale (MMF), dove ogni modalità ha una diversa costante di propagazione, la lunghezza d'onda soppresso per ciascuna modalità è diversa e quindi il reticolo non dà soppressione forte in ogni singola lunghezza d'onda.
L'impulso per questo esperimento viene da astronomia. In condizioni di limitata, accoppiamento diretto in un SMF è difficile e inefficiente; ottica adattiva estremi sono tenuti a farlo 3. A causa di questo, FMM sono tipcamente usato al momento del ritiro luce dal telescopio piano focale 4. Pertanto al fine di mantenere la funzionalità disponibile solo per SMF, è necessario disporre di conversione efficiente tra SMF e FMM. Ciò è reso possibile con la lanterna fotonica, un dispositivo che consiste di una porta multimode collegato ad una serie di SMF tramite una transizione conicità 5. Lanterne fotonici sono stati utilizzati nello strumento GNOSIS, in cui il SMFs conteneva FBGs per rimuovere le linee di emissione in atmosfera (causati dai radicali OH e altre molecole) da osservazioni nel vicino infrarosso 6. Gli svantaggi di utilizzare singolarmente, SMF single-core per questo compito sono che devono essere scritti uno per uno e assemblati singolarmente nel treno ottico, che richiede molto tempo e sforzo manuale. La tecnica descritta in questo articolo tenta di risolvere questi inconvenienti utilizzando un formato fibra più complesso per fornire la funzionalità monomodale.
Il suppr OH prossima generazionestrumento ESSIONE PRAXIS 7 farà uso di fibre multi-core (mcfs). Queste fibre contengono un numero qualsiasi di core singolo moded incorporati in un unico rivestimento. Il vantaggio di questo approccio è che il MCF può essere rastremato in un MMF con la lanterna fotonico risultante essere un'unità autonoma compatta e robusta. Nello strumento completata, la luce dal telescopio sarà accoppiato alla porta MMF della lanterna; la transizione cono separerà questa luce nei nuclei monomodali dove passerà attraverso il FBG. Dopo la lunghezza d'onda filtrando la luce rimanente viene dispersa su un rilevatore, gli spettri raccolti.
Utilizzando mcfs accelera il processo di scrittura di reticoli, come tutti i core possono essere iscritti in un unico passaggio. Tuttavia, il processo di scrittura deve essere modificato al fine di garantire che tutti i nuclei hanno le stesse caratteristiche di riflessione. Questo perché la superficie curva del rivestimento agisce come una lente durante side-scrittura dei FBGS, resulting in un campo UV che varia in potenza e la direzione ad ogni core se viene utilizzato il metodo side-standard di scrittura. Quindi ogni core avrà un profilo di trasmissione diversa, e la fibra non fornirà soppressione forte ad una singola lunghezza d'onda 8.
Un gruppo presso il Naval Research Laboratory ha sperimentato con la modifica della distribuzione e fotosensibilità di core per annullare gli effetti di questa variazione 9. Lo svantaggio di usare un tale approccio è che la fibra deve essere riprogettato per ogni combinazione di dimensioni rivestimento, dimensioni del nucleo, il numero di nuclei e composizione chimica. Inoltre, la mancanza di simmetria assiale nei disegni risultanti significa che il MCF non può essere efficacemente rastremato in un MMF con un nucleo circolare. Dettagli Questo documento un diverso approccio al problema: modificare il campo entro la fibra facendolo passare attraverso una superficie piana invece di essere direttamente incidente sul rivestimento curvo. Usando questo approccio comporta unatecnica che è trasferibile ad una varietà di disegni MCF e dimensioni, in particolare le fibre assialmente simmetrica che vogliamo incorporare nella lanterne fotonici.
Per creare la superficie piana necessaria, MCF è collocato all'interno di un tubo capillare UV-trasparente che è stato macinato e levigata su un lato per dare una parete esterna piana. Un piccolo spazio deve essere lasciato tra la fibra e capillare, in quanto quest'ultimo può contenere ± 10 um variazioni di diametro. Vedere la Figura 1 per una rappresentazione. Questo documento descrive la procedura sperimentale di scrivere FBGs in questo modo e di fornire esempi dei possibili miglioramenti. Per ulteriori informazioni, vedere simulazioni precedentemente pubblicati 10 e 11 risultati sperimentali.
Figura 1. Schema del tubo capillare lucido come utilizzato nel prodotto FBGion. Il MCF è collocato all'interno del tubo capillare. La distanza tra i due dovrebbe essere piccolo ma permettere piccole variazioni di diametro. La luce UV che è passato attraverso la maschera di fase poi entra nel sistema attraverso la parte piatta del tubo capillare. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
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Protocol
1. Preparazione di lucido Capillari (ANFF OptoFab)
- Ottenere tubi di vetro capillari con diametro interno strettamente allineato al diametro delle fibre. Quanto più dimensioni, migliori sono le prestazioni, ma assicura che una variazione ± 10 micron di dimensioni capillare è consentita per. Rimuovere eventuali rivestimenti protettivi dai tubi capillari. Radersi rivestimenti con una lama di rasoio per rimuoverli senza danneggiare i tubi.
- Cono tubi capillari ad un diametro più piccolo, se necessario. Utilizzare una macchina rastremazione automatico controllato da computer, se disponibile.
- Fissare un pezzo di tubo con morsetti ad ogni estremità.
- Riscaldare il capillare al punto di fusione uniformemente attorno al suo diametro utilizzando un filamento caldo situato tra i morsetti.
- Disegnare il capillare attraverso l'elemento riscaldante con una tensione costante finché la lunghezza desiderata è stata rastremata al diametro più piccolo.
- Tagliare il tubo capillare in approssimativamente uguale wi lunghezzeth un utensile da taglio di vetro. Garantire che questi siano almeno 2 cm più lungo della lunghezza reticolo previsto ma abbastanza piccolo per adattarsi all'interno della lucidatura attrezzature utilizzate. Nota: Per questo esperimento, è stata utilizzata una lunghezza capillare di 7 cm.
- Fissare 8-10 delle lunghezze capillari ad un disco di vetro con colla a polimerizzazione UV. Installare il disco su un giga compatibile con la macchina di lappatura / lucidatura.
- Utilizzare la macchina lappatura / lucidatura per macinare le pareti esposte dei tubi capillari ad una superficie piatta. ATTENZIONE: non inalare grinta sciolto. Nota: L'elemento abrasivo è Al 2 O 3 in una sospensione di acqua purificata osmosi inversa.
- Utilizzare 25 micron graniglia fino alla restante spessore della parete capillare è di circa 70 micron. Utilizzare un micrometro per misurare lo spostamento della maschera durante la macinazione e quindi la quantità che è stato rimosso.
- Passare a 5 micron graniglia e macinare fino alla restante spessore della parete è di circa 50 micron.
- Utilizzare lo sciabordio / lucidatura macchina per lucidare la superficie appiattita per almeno 3 ore con elevata purezza silice colloidale in dispersione alcalina (NaOH). Nota: Questo ripristina la superficie di qualità ottica. La silice può essere impedito di solidificazione aggiungendo 1 parte 0.004 M NaOH per 3 parti di lucidatura soluzione.
- Separare i tubi capillari dal puck tenendo immergendo durante la notte in acetone.
- Esaminare i tubi capillari ai due estremi sotto un microscopio con ingrandimento 10x per controllare lo spessore della parete. Nota: Un capillare buona qualità avrà una parete sottile e uniforme (~ 50 micron) lungo la sua lunghezza.
2. Creazione di griglie
- Idrogenare MCF per aumentare la fotosensibilità.
- Collocare le fibre da idrogenati in una camera stagna sigillata. ATTENZIONE: Assicurarsi che la camera è imbullonata in modo sicuro a causa della presenza di gas in pressione.
- Pompa alta purezza H 2 nella camera. Usa N 2
- Lasciare le fibre all'interno della camera per un periodo prolungato: 2 settimane a 300 bar e temperatura ambiente, o 3 giorni a 380 bar e 80 ° C.
- Vent i gas dalla camera e rimuovere le fibre. ATTENZIONE: Assicurarsi che la stanza sia ben ventilata. I gas possono agire come asfissianti o rischio di incendio in caso di H 2.
- Conservare le fibre in un congelatore a temperatura -70 ° C o inferiore fino a quando non vengono utilizzati. Questo rallenta il tasso di degassamento idrogeno e conserva la maggiore fotosensibilità.
- Striscia il rivestimento protettivo dalla MCF. Striscia mcfs la stessa dimensione come SMF con una spogliarellista fibra SMF di serie; altrimenti radere il rivestimento con una lama di rasoio. Rimuovere il rivestimento dalla regione in cui il reticolo deve essere scritto, fino alla fine della fibra.
- Inserire l'estremità spogliato della fibra nel tubo capillare, e far scorrere il tubo lungo la fibra in modo da coprire la regione a b e inscritto.
- Indossare occhiali di protezione UV. Montare la fibra sulla fase mobile che contiene la maschera di fase, con il lato piatto del capillare inclinato verso la maschera di fase. Assicurarsi che la fibra è posizionato all'interno la figura di interferenza creato dalla maschera, ma non tocca la maschera stessa in quanto ciò potrebbe causare danni.
- Allineare il laser 244 nm modo che il raggio sia perpendicolare alla superficie piana della maschera di fase. Assicurarsi che la fibra riceve almeno 90 mW di potenza del laser.
- Esporre una lunghezza di 4 cm di fibra alla figura di interferenza UV spostando la maschera fibra e di fase insieme rispetto al fascio in ingresso ad una velocità di 0,25 mm / min.
- Rimuovere il capillare dalla fibra.
- Ricuocere la griglia a 110 ° C per 20 ore per stabilizzare la risposta lunghezza d'onda. Nota: questo passaggio è facoltativo come il reticolo si stabilizzerà da solo nel corso di circa tre giorni, ma ricottura rende il processo più veloce.
- Cleave entrambe le estremità della fibra. Utilizzare una mannaia fibra che consente all'utente di impostare sia diametro delle fibre e la tensione di garantire una superficie piana.
- Illuminare una estremità della fibra utilizzando un laser sintonizzabile con lunghezza d'onda centrale di circa adattato alla lunghezza d'onda di Bragg.
- Collegare una telecamera CCD ad un PC con software di controllo per visualizzare e registrare l'uscita della fibra. Immagine l'uscita della fibra con la camera CCD, con una lente obiettivo microscopio con 50X di ingrandimento davanti alla macchina fotografica per assicurare che tutti i core coprono più pixel del CCD. Nota: I seguenti passaggi 3.4.1 - 3.5.5 sono specifici per il software personalizzato utilizzato dagli autori e rappresentano solo un metodo di cattura spettri.
- Selezionare una regione circolare di pixel corrispondenti a ciascun core cliccando sui centri di core come appaiono nell'immagine nel software di controllo. Inserire il diametro delle anime in unità di pixel nel 'intera o diametro &# 39; campo.
- Registrare i valori dei pixel registrati dalla fotocamera per le regioni selezionate. Sommare i valori per tutti i pixel che coprono un dato di base per quantificare il rendimento totale a quella lunghezza d'onda.
- Collegare il laser sintonizzabile al PC di controllo in modo che osservazioni e raccolta di dati possono essere automatizzati.
- Inserire una lunghezza d'onda di circa 5 nm al di sotto della lunghezza d'onda di Bragg in campo 'Start lunghezza d'onda'.
- Impostare l'incremento di lunghezza d'onda del laser a 0,01 nm nel 'Scan - Step' campo. Nota: Impostare il ritardo tra i passaggi di almeno 300 msec in modo che lasing è stabile a ogni lunghezza d'onda prima di misurazioni sono registrati e il passo successivo di lunghezza d'onda si verifica.
- Inserire una lunghezza d'onda di circa 5 nm superiore alla lunghezza d'onda di Bragg nel campo 'Fine Lunghezza d'onda'.
- Fare clic sul pulsante 'Scansione automatica' per impostare il laser alla lunghezza d'onda di inizio definito e aumentare la lunghezza d'onda per l'incremento scelto a regolaintervalli di tempo lar.
- Registrare l'intensità trasmessa attraverso ogni core per ogni passo lunghezza d'onda. Esportare i valori calcolati in un file di testo attivando il 'file di testo Salva' opzione.
- Ripetere la scansione di almeno 3 volte e la media dei dati di tutte le stime.
- Plot potenza trasmessa rispetto lunghezza d'onda per ogni core per generare un insieme di spettri.
- Confrontare gli spettri di tutti i conduttori per confermare se hanno le stesse caratteristiche di soppressione. Verificare che la lunghezza d'onda centrale, la profondità e la larghezza di banda di ogni partita reticolo.
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Representative Results
L'efficacia di questa tecnica è meglio dimostrato confrontando i reticoli in fibra multicore Bragg (MCFBGs) risultanti dall'esposizione con e senza il capillare. La Figura 2 mostra le caratteristiche di trasmissione di un 7-core MCF esposto usando il metodo standard per SMF, con singoli Gli spettri di base rappresentate da colori diversi. C'è sovrapposizione minima tra le lunghezze d'onda soppressi, e nucleo # 5 ha ricevuto l'esposizione più debole causando una tacca profonda. Entrambi gli effetti sono dovuti a variazioni di potenza entro la fibra durante il processo di scrittura. Si noti che il cutoff piano a -36 dB è dovuto alla limitata gamma dinamica della telecamera; tutti i valori di trasmissione sono scalati rispetto a questo minimo.
Figura 2. Prestazioni di MCFBG core con alcun compenso per l'obiettivoing. Questo grafico mostra gli spettri di trasmissione dei singoli core quando il MCFBG è prodotto con il metodo standard per SMF. Vi è minima sovrapposizione tra tacche. (Riquadro) Schema di numerazione nucleo. Adattato da precedente pubblicazione 11. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
In figura 3, gli stessi dati sono presentati sotto una fibra identico che è stata esposta all'interno di un tubo capillare con diametro interno 140 micron. (Si noti che le lunghezze d'onda di Bragg sono circa 2 nm inferiore rispetto al caso precedente come questo reticolo è stato ricotto prima della misura. La variazione tra i core viene mantenuta prima e dopo la ricottura.) In questo MCFBG, 6 su 7 nuclei sono tacche ben allineati, con una sovrapposizione centrata a 1548,25 ± 0,01 nm. Il nucleo disallineati, che si trova al centro dila fibra, ha una lunghezza d'onda di Bragg 100 pm più corto degli altri. L'effetto di avere questo nucleo non corrispondenti è di limitare totale soppressione della fibra a -8.5 dB; in altre parole, 1/7 th della luce a 1548,25 nm può passare liberamente attraverso il MCFBG. Se solo i nuclei esterni sono incluse nel calcolo (cioè, nucleo # 1 è bloccato o comunque non illuminati), una soppressione massima> 36 dB è possibile. Questi risultati sono rappresentati graficamente nella figura 4.
Figura 3. Prestazioni di nuclei MCFBG con tubo capillare lucido. Profili trasmissione di tutti i reticoli in fibra 7-core con il tubo capillare utilizzato per compensare lente. Le lunghezze d'onda di riflessione degli esterni sei core sovrappongono centrata a 1548,25 ± 0 0,01 nm. La risposta reticolo Core # 1, che si trova nel center della fibra, è sfalsata verso lunghezze d'onda più corte. (Riquadro) Schema di numerazione nucleo. Adattato da precedente pubblicazione 11. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 4. Le prestazioni generali di MCFBG. Il confronto delle prestazioni complessive fibra con (blu) e senza (verde) il nucleo centrale inclusi. Adattato da precedente pubblicazione 11. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
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Discussion
Le figure 2 e 3 insieme mostrano che l'introduzione del tubo capillare lucido (PCT) quando si scrive reticoli è sufficiente a migliorare l'uniformità di spettri nucleo in MCFBG. Il resto del processo di iscrizione è in gran parte invariato rispetto a modalità stabilite per la creazione di griglie SMF e può essere utilizzato con la maggior parte dei sistemi di scrittura FBG esistenti. Da qui la preparazione di PCT come indicato nella sezione 2 del protocollo è più critica per migliorare MCFBG uniformità. I migliori risultati si ottengono con tubi dove la parete lucido ha una costante, piccolo spessore; spessore 50 micron scelto qui dà un compromesso tra il mantenimento della resistenza del vetro e minimizzando la distanza tra la fibra e la maschera di fase.
Tuttavia, anche con il PCT vi è un ulteriore effetto che provoca il nucleo centrale della MCF di avere una risposta diversa lunghezza d'onda agli altri core. Abbiamo usato un diverso registro di idrogenazioneime come menzionato nel passaggio 3.1 della sezione di protocollo per indagare se la variazione è stata causata da un assorbimento di idrogeno inferiore a questo nucleo, ma è stato osservato alcun miglioramento. La variazione, inoltre, non può essere spiegato con nuclei colata ombre di ciascun altro durante l'esposizione UV, in quanto ciò comporterebbe più esterni 6 conduttori aventi anche risposte mal abbinati. Invece il comportamento può essere spiegato dal nucleo centrale avente differenti proprietà ottiche agli altri, pur essendo identici quando fabbricati.
MCFBGs non può essere utilizzata come sostituti efficaci per i loro omologhi SMF a meno che tutti i core all'interno di una singola fibra hanno lo stesso spettro di trasmissione. Abbiamo intenzione di sperimentare con le correzioni secondarie a mcfs esistenti realizzati con il PCT, utilizzando gli effetti di deformazione termica e meccanica per spostare le lunghezze d'onda di Bragg dei nuclei esterni in modo che corrisponda al centro. L'esperimento descritto in questo articolo verrà inoltre ripetuta per i numeri principali più grandi per determinare il extent a cui scalare effetti shadowing e radiale Bragg lunghezza d'onda di variazione con il numero di "anelli" di core.
La tecnica è attualmente limitata efficacia per il caso di grandi fibre o numeri elevati di nucleo. Nel primo scenario, i nuclei in una grande fibra che più lontane dal fascio in ingresso non sono esposti alla figura di interferenza. Questo è perché usiamo un interferometro di Mach-Zender in questi esperimenti che limita la profondità massima di scrittura; questo effetto si verifica perché il modello di interferenza estende solo poche centinaia di micron oltre la maschera di fase. Intendiamo affrontare questo in futuri esperimenti con un interferometro di Sagnac ridisegnata, che avrà una profondità di campo almeno doppio di quello delle apparecchiature attuali. Nel secondo caso in cui il numero totale di base è grande, alcuni nuclei possono essere posizionati all'interno ombre proiettate da nuclei vicini alla maschera di fase. L'effetto di questo sulla qualità MCFBG non è ancora noto; ci sarà INDAGINEte questo con 19-, 37-, e le fibre 55-core utilizzando il metodo sopra descritto.
Questi esperimenti hanno mostrato che minimali, modifiche vantaggiose per la procedura di scrittura reticolo possono estendere l'applicabilità di là SMF. Una volta MCFBGs può essere creato con capacità di filtraggio pari alla tecnologia esistente SMF, possono essere impiegati in qualsiasi applicazione di fotonica, permettendo costruzione di dispositivi compatti e robusti senza sacrificare le prestazioni. Come indicato in premessa, obiettivo primario degli autori è quello di incorporare MCFBGs in nuovi strumenti astronomici; tuttavia, essi possono potenzialmente essere impiegate in qualsiasi sistema che fa già uso di monomodale ottica e / o accurate filtraggio lunghezza d'onda. Come le loro controparti monomodali, MCFBGs può essere utilizzato in trasmissione e riflessione a seconda dell'applicazione.
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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
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- 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.
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- Askins, C., et al. Inscription of fiber Bragg gratings in multicore fiber. BGPP. , JWA39 (2007).
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