Introduction
ファイバブラッググレーティング（FBGを）が広く、それらがアプリケーション1の多数のためにカスタマイズすることができ、実際に、狭帯域フィルタとして使用されます。これらは、単一波長の抑制に限定されません。複雑な透過スペクトルは、非周期的な屈折率変化を利用2で作成することができます。 1つの制限は、所与の格子周期のために抑制される波長は伝搬定数に依存するのFBGのみ、シングルモードファイバ（SMFは）に内接することができることです。各モードは異なる伝播定数を有するマルチモードファイバ（MMF）では、各モードの抑制波長が異なっているので、格子は、任意の単一波長で強い抑制を与えるものではありません。
この実験のための原動力は、天文学から来ています。シーイングが限定された条件下では、SMFへの直接結合が困難であり、非効率的です。極端な適応光学系は、そのように3を実行するために必要とされています。このため、のMMFは標準です望遠鏡の焦点面4からの光を収集する際的には使用されます。そのためだけのSMFに利用できる機能を維持するために、のSMFとMMFの間の効率的な変換が必要です。これは、フォトニックランタン、テーパ遷移5を介してのSMFのアレイに接続されたマルチポートから成る装置で可能となります。フォトニックランタンはのSMFは、近赤外観測6から（OHラジカルと他の分子によって引き起こされる）、大気輝線を除去するためのFBGを含有するグノーシス機器に使用されました。このタスクのために、個々の、シングルコアのSMFを使用しての欠点は、彼らが一つずつ書かれており、かなりの時間と手作業を必要とする、光学列に個別にスプライシングされなければならないということです。この記事に記載された技術は、シングルモードの機能を提供するために、より複雑な繊維のフォーマットを使用して、これらの欠点に対処しようとします。
次世代OH suppression機器プラクシス7は、マルチコアファイバ（のMCF）を利用します。これらの繊維は、単一のクラッドに埋め込まれたシングルモード化コアの任意の数を含んでいます。このアプローチの利点は、MCFは、得られるフォトニックランタンは、コンパクトで堅牢な自己完結型のユニットであるとMMFに先細りすることができるということです。完成した楽器では、望遠鏡からの光は、ランタンのMMFポートに結合されます。テーパ移行は、FBGを通過することになるのシングルモードコアに、この光を分離します。残りの光をフィルタリングする波長検出器上に分散させた後、スペクトルを収集しました。
すべてのコアが単一パスに内接することができるようのMCFを使用すると、書き込み格子のプロセスをスピードアップします。しかし、書き込みプロセスは、すべてのコアが同じ反射特性を有していることを確実にするために修正されなければなりません。クラッドの曲面のFBG、解像度の側書き込み時にレンズとして機能するためです標準サイド書き込み方法が使用される場合、各コアの電力及び方向に変化UVフィールドにulting。したがって、各コアは、異なる伝送プロファイルを持つことになり、そして繊維は、単一の波長8で強力な抑制を提供することはありません。
海軍研究所でのグループは、このバリエーション9の影響をキャンセルするために、コアの分布と光感度を変更することで実験しました。このようなアプローチを使用することの欠点は、ファイバクラッド径、コアサイズ、コアと化学組成の数の全ての組み合わせに対して再設計しなければならないことです。また、得られた設計の軸対称性の欠如は、MCFが効果的に円形のコアとMMFに先細りすることができないことを意味します。本論文では、問題への異なるアプローチについて詳しく説明します。それは、平らな面を通過したの代わりに湾曲したクラッドに直接入射していることにより、ファイバ内のフィールドを変更します。このアプローチを使用することになりますMCFのデザインやサイズ、我々はフォトニック提灯に組み込むことを望む特に軸対称繊維の様々な譲渡である技術。
必要な平坦な表面を作成するために、MCFは平坦外壁を与えるために一方の側に研削、研磨されたUV透過性毛細管の内部に配置されています。後者は、直径±10μmのバリエーションが含まれていてもよいので、小さなギャップは、繊維と毛細管の間に残されなければなりません。表現のための図1を参照してください。本稿では、このようにしたFBGを書くために実験手順を説明し、可能な改善の例を提供します。詳細については、以前に公開されたシミュレーション10と実験結果11を参照してください。
研磨毛細管の図1図は、FBGの製品で使用されますイオン。MCFは、キャピラリーチューブの内部に配置されています。両者間の隙間が小さくなるが、径の小さな変化を可能にすべきです。位相マスクを通過したUV光が、その後毛細管の平らな面を介してシステムに入る。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
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Protocol
ポリッシュキャピラリーチューブ（ANFF OptoFab）の調製
- 密接に繊維径に一致内径を有するガラス毛細管を得ます。パフォーマンスは向上し、サイズが近いが、毛細管サイズの±10μmの変動が許可されていることを確認してください。キャピラリーチューブから任意の保護コーティングを削除します。管を損傷することなく、それらを削除するかみそりの刃でコーティングを剃り落とします。
- 必要に応じて、より小さな直径に毛細管を先細り。利用可能な場合はコンピューター制御の自動テーパマシンを使用します。
- どちらかの端にクランプでチューブの長さを固定します。
- クランプの間に位置する熱フィラメントを使用して、その直径の周りに均等にポイントを溶融する毛細管を加熱します。
- 所望の長さが小さい直径に先細にされるまで一定の張力で加熱素子を介してキャピラリーを描画します。
- ほぼ等しい長さのwiにキャピラリーチューブをカットガラス切削工具番目。これらは、意図した回折格子の長さよりも長いが、使用研磨装置内に収まるほど小さい2cm以上であることを確認してください。注記：この実験では7センチキャピラリー長さが使用されました。
- UV硬化型接着剤を用いてガラスパックにキャピラリー長の8-10を取り付けます。ラッピング/研磨機と互換性の治具の上にパックをインストールします。
- 平らな面に毛細管の露出壁を粉砕するラッピング/研磨機を使用してください。注意：緩いグリットを吸入しないでください。注：研磨要素は、逆浸透精製水懸濁液中のAl 2 O 3です。
- 毛細血管壁の残りの厚さは約70μmとなるまで、25ミクロングリットを使用してください。削除された量を粉砕するので、時の治具の変位を測定するマイクロメータを使用します。
- 5μmのグリットに切り替えて、壁の残りの厚さが約50μmになるまで挽きます。
- アルカリ性分散液（水酸化ナトリウム）で高純度コロイダルシリカと、少なくとも3時間、平らな表面を研磨するラッピング/研磨機を使用してください。注：これは、光学的品質の表面を復元します。シリカは、溶液の研磨3部に対して1部0.004 M NaOHを添加することによって固化することを防止することができます。
- アセトンに一晩浸漬することにより保持パックから毛細管を分離します。
- 壁の厚さを確認するために10倍の倍率で顕微鏡下両端に毛細管を調べます。注：良質のキャピラリーは、その長さに沿って均一な薄膜（〜50μm）の壁を持っています。
グレーティングの2.作成
- 感光性を増大させるためにMCFを水素化。
- 密封された気密室に水素化する繊維を配置します。注意：確認室が確実により加圧されたガスの存在にボルト止めされています。
- チャンバー内に高純度のH 2をポンプ。 N 2を使用し
- 長時間室内の繊維を残す：380バール、80℃で300バール、室温で2週間、または3日間。
- チャンバからガスを排出し、繊維を除去します。注意：部屋は風通しがよく確認してください。ガスは、H 2の場合には窒息、または火災の危険性として作用することができます。
- 温度と冷凍庫に繊維を維持-70℃〜以下、それらが使用されるまで。これは、水素ガス放出の速度を遅くし、増加した感光性を保持します。
- MCFから保護コーティングをはがし。ストリップのMCF標準SMFファイバストリッパーとのSMFと同じサイズ。そうでない場合はかみそりの刃でコーティングを剃り落とします。格子が書き込まれる領域からコーティングを除去、ファイバの端まですべての方法。
- キャピラリーチューブ内に繊維のむき出し部分を挿入し、それがb側に領域を覆うように、ファイバに沿ってチューブをスライドさせ eは内接します。
- UV-保護メガネを着用します。位相マスクに向かって傾斜して毛細管の平らな面と、位相マスクを保持する移動ステージ上の繊維をマウントします。確保繊維は、マスクによって生成される干渉パターン内に配置されているが、このように、マスク自体に接触していないと、損傷を与える可能性があります。
- ビームは位相マスクの平坦面に垂直になるように244 nmのレーザーを合わせます。繊維はレーザーパワーの少なくとも90ミリワットを受け取ることを確認してください。
- 0.25 mm /分の速度で入射ビームに対して一緒に繊維と位相マスクを移動させることにより、UV干渉パターンに繊維4センチメートルの長さを露出させます。
- 繊維から毛細管を削除します。
- 波長応答を安定させるために20時間110℃で格子をアニールします。格子は約3日間にわたって、それ自体で安定するように、このステップはオプションですが、アニーリングは、より高速な処理を行います注意してください。
- 繊維の両端を切断します。ユーザーは平坦な端面を確保するために、繊維径と緊張の両方を設定することができ、繊維包丁を使用します。
- 約ブラッグ波長に一致中心波長を有する波長可変レーザを用いた光ファイバの一端を照らします。
- ファイバ出力を表示し、記録するように制御ソフトウェアでPCにCCDカメラを接続します。 CCDカメラによる画像ファイバ出力を、すべてのコアが複数のCCD画素をカバーすることを保証するために、カメラの前で50倍の倍率で顕微鏡の対物レンズを使用しました。注：以下の手順3.4.1 - 3.5.5は、著者によって使用されるカスタムソフトウェアに固有のもので、スペクトルを捕捉する1つの方法だけを表しています。
- 彼らは制御ソフトウェアの画像に表示されるコアの中心をクリックすることで、各コアに対応する画素の円形の領域を選択します。 「長さまたは直径の画素単位でのコアの直径を入力して＃39;フィールド。
- 選択された領域のためにカメラによって登録されたピクセル値を記録します。その波長でのトータルスループットを定量化するために与えられたコアを被覆する全ての画素の値を合計します。
- 観測やデータ収集を自動化することができるように、制御用PCに波長可変レーザを接続します。
- 「開始波長」フィールドに、ブラッグ波長以下の波長約5nmを入力します。
- フィールド - 'ステップスキャン」で0.01 nmのレーザーの波長増分を設定します。注：測定値を記録し、次の波長ステップが発生する前に、レーザ発振は、各波長で安定するように、少なくとも300ミリ秒のステップ間の遅延を設定します。
- 「終了波長」フィールドに、ブラッグ波長よりも約5ナノメートルより大きな波長を入力します。
- 定義されたスタート波長にレーザーを設定してのReguに選ばれた増分だけ波長を高めるために「自動スキャン」ボタンをクリックしてくださいLARの時間間隔。
- 各波長ステップの各コアを透過強度を記録します。 「テキストファイル保存」オプションを有効にすることで、テキストファイルに計算値をエクスポートします。
- スキャンを少なくとも3回繰り返し、すべてのランからのデータを平均します。
- プロットは、スペクトルのセットを生成するために、各コアの波長に対して電力を伝送されます。
- それらが同一の抑圧特性を有するかどうかを確認するために、全てのコアのスペクトルを比較します。各格子マッチの中心波長、深さと帯域幅ことを確認してください。
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Representative Results
この技術の有効性は、最良とキャピラリなし暴露に起因するマルチコアファイバブラッググレーティング（MCFBGs）を比較することによって実証されている。個々で、2は MCFがのSMFのための標準的な方法を用いて露光7芯の透過特性を示す図異なる色によって表されるコアスペクトル。そこ抑制波長間の最小の重なりがあり、コア＃5は浅い切り欠き、その結果、より弱い暴露を受けています。両方の効果は、書き込みプロセス中にファイバ内の電力の変化によるものです。 -36デシベルでのフラットカットオフはカメラの限られたダイナミックレンジに起因していることに注意してください。全ての送信値がこの最小値に対してスケーリングされます。
レンズのための補償なしでMCFBGコアの2.パフォーマンス図る。このプロットはMCFBGがのSMFのための標準的な方法を用いて製造される個々のコアの透過スペクトルを示しています。ノッチ間の最小の重複があります。コア番号の（挿入図）ダイアグラム。以前の出版物11から適応。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図3では、同一のデータが、内径140ミクロンで毛細管内に露出した同一の繊維のために示されています。このMCFBGでは、7コアのうち6がよく、ノッチを整列している（ブラッグ波長が、この格子は、測定前にアニールしたとして。コア間のばらつきは、アニール前後で維持されている。以前の場合よりも2nm程度低いことに注意してください） 1548.25±0.01 nmの中心と重なりを持ちます。の中心に位置する位置がずれコア、繊維は、他のものより短いブラッグ波長100午後を持っています。このミスマッチのコアを有するの効果は-8.5 dBの繊維の完全な抑制を制限することです。言い換えると、1548.25 nmの光の1/7 番目は MCFBGを自由に通過することができます。唯一の外側のコアは計算に含まれている場合> 36デシベルの最大抑制が可能である、（ すなわち 、コア＃1は、ブロックされたか、そうでない場合は点灯しません）。これらの結果を図4にグラフで表されています。
研磨毛細管とMCFBGコアの図3のパフォーマンス。レンズ効果を補償するために使用される毛細管と7コアファイバにおける全ての格子の透過プロファイル。外側の6コアの反射の波長は、1548.25±0 0.01 nmの中心と重なります。 CEに位置するコア＃1の格子応答、繊維のNTER、より短い波長の方にオフセットされています。コア番号の（挿入図）ダイアグラム。以前の出版物11から適応。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図4.全体での全体的な繊維性能のMCFBG。比較（青） の性能と（緑）センターコアなしが含まれています。以前の出版物11から適応。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
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Discussion
図2及び3は、一緒に格子を書き込むときに研磨毛細管（PCT）を導入することMCFBGコアスペクトルの均一性を向上させるのに十分であることを示しています。表記法の残りは、SMF格子を作成するための確立された方法とは大きく変更されず、ほとんどの既存のFBG書き込みシステムで使用することができます。したがって、プロトコルのセクション2に概説されるようにPCT類の製造はMCFBGの均一性を向上させるために最も重要です。最良の結果は、研磨壁が一貫性のある、小さな厚さを有するチューブで達成されます。ここで選ばれた50ミクロンの厚さは、ガラスの強度を維持し、繊維と位相マスクとの間の距離を最小限に抑えるとの間の妥協を提供します。
しかし、PCTとMCFの中央コアは他のコアとは異なる波長応答を有するようにさせる付加的な効果があります。我々は、さまざまな水素化REGを使用しましたIMEは、ばらつきがこのコア内の低い水素の取り込みによって引き起こされたかどうかを調査するためのプロトコルセクションのステップ3.1で説明したが、改善は見られませんでした。これはまた、不完全一致応答を有する外側コア6を生じるように変化はまた、UV照射時に相互に影を鋳造コアでは説明できません。代わりに、動作は、製造時に同一であるにも関わらず、他のものとは異なる光学特性を有する中心コアによって説明することができます。
単繊維内のすべてのコアが同じ透過スペクトルを持っていない限りMCFBGsは、そのSMFの対応のための有効な代替品として使用することはできません。我々は、中心に一致するように、外側コアのブラッグ波長をシフトするために、熱や機械的ひずみの影響を使用して、PCTで作られた既存のMCFへの二次的な修正を試してみるつもりです。この資料に記載された実験はまた、内線を決定するために、より大きなコア数に対して繰り返されますENTは、シャドーイングとラジアルブラッグ波長変動の影響は、コアの「リング」の数に比例します。
技術は、現在、非常に大規模な繊維または高いコア番号の場合の有効性に限界があります。前者のシナリオでは、入射ビームから遠い大規模なファイバにおけるコアは、干渉パターンには公開されません。私たちは、最大書き込み深さを制限し、これらの実験でマッハツェンダー干渉計を使用するためです。干渉パターンは、位相マスクを越えてわずか数百ミクロンを拡張するため、この効果が発生します。私たちは、少なくとも2倍、その現在の機器の被写界深度を持つことになり、再設計サニャック干渉計と今後の実験でこの問題に対処していきます。総コア数が多い第2の状況では、いくつかのコアは、近い位相マスクのコアで影内に配置することができます。 MCFBG品質へのこの効果は、まだ知られていません。我々はinvestigaますこの19-、37-、および上述の方法を用いて、55コア繊維とTE。
これらの実験は、格子書き込み手順に最小限の、安価な変更はSMFを超えて、その適用性を拡張することができることを示しました。 MCFBGs既存のSMF技術に等しいフィルタリング機能を使用して作成することができたら、それは、性能を犠牲にすることなくコンパクトで堅牢なデバイスの構築を可能にする、フォトニクスの任意の用途に使用することができます。序文で概説したように、筆者らの主な目標は、新しい天文の楽器にMCFBGsを組み込むことです。しかしながら、それらは、潜在的にすでにシングルモード光学系および/または正確な波長フィルタリングを利用する任意のシステムで使用することができます。それらのシングルモードの対応と同様に、MCFBGsは、用途に応じて透過及び反射に使用することができます。
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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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