Introduction
Grades Bragg de fibra (FBGs) são amplamente utilizados como filtros de banda estreita devido ao fato de que pode ser personalizado para um grande número de aplicações 1. Eles não se limitam a supressão de comprimentos de onda individuais; complexo espectros de transmissão pode ser criado através da utilização de variações do índice de refracção aperiódicos 2. Uma limitação é que GBFs só pode ser inscrito em fibras monomodo (SMFs), tal como o comprimento de onda que é suprimido para um dado período de reticulação depende da constante de propagação. Em uma fibra multimodo (MMF), em que cada modo tem uma constante de propagação diferente, o comprimento de onda para cada modo suprimida é diferente e, portanto, a grade não dá supressão forte em qualquer comprimento de onda único.
O ímpeto para esta experiência vem da astronomia. Sob condições limitadas vê, acoplamento direto em um SMF é difícil e ineficiente; óptica adaptativa extremas são obrigados a fazê-lo 3. Devido a isto, são FMM Tipocamente usados aquando da recolha de luz a partir do plano focal do telescópio 4. Por conseguinte, a fim de manter a funcionalidade disponível apenas para SMF, é necessário ter uma conversão eficiente entre SMF e FMM. Isto é tornado possível com a lanterna fotónica, um dispositivo que consiste de uma porta multimodo ligado a uma matriz de SMF através de um cone de transição 5. Lanternas Photonic foram usadas no instrumento GNOSE, em que o SMF continha GBFs para remover linhas de emissão atmosférica (causada por radicais OH e outras moléculas) a partir de observações do infravermelho próximo 6. As desvantagens de usar, SMFs single-core individuais para essa tarefa são de que eles devem ser escritos um por um e emendados individualmente no trem óptico, o que requer um tempo significativo e esforço manual. A técnica descrita neste artigo tenta resolver estes problemas, utilizando um formato de fibra mais complexa para fornecer a funcionalidade de modo único.
O suppr OH próxima geraçãoinstrumento ESSÃO PRAXIS 7 vai fazer uso de fibras multi-core (MCFs). Estas fibras conter qualquer número de núcleos individuais-moded incorporados num único revestimento. A vantagem desta abordagem é que o MCF pode ser afunilada para um MMF com a lanterna fotónica resultante ser uma unidade auto-contida compacto e robusto. No instrumento completada, a luz do telescópio vai ser acoplada à porta de MMF da lanterna; a transição cone vai separar essa luz para os núcleos de modo único onde ele vai passar pelo FBGs. Após a filtragem de comprimentos de onda da luz remanescente é disperso, a um detector, os espectros recolhidos.
Usando MCFs também acelera o processo de escrita grades, como todos os núcleos pode ser inscrito em uma única passagem. No entanto, o processo de gravação deve ser modificado de modo a assegurar que todos os núcleos têm as mesmas características de reflexão. Isto é porque a superfície curva do revestimento actua como uma lente durante lado-a escrita das GBFs, resulting em um campo UV que varia em poder e direção em cada núcleo se o método de lado a escrita padrão é usado. Assim, cada núcleo terá um perfil de transmissão diferente, e a fibra não irá proporcionar a supressão forte a um único comprimento de onda 8.
Um grupo no Laboratório de Pesquisa Naval experimentou modificar a distribuição e fotossensibilidade de núcleos para cancelar os efeitos dessa variação 9. A desvantagem de usar essa abordagem é que a fibra deve ser redesenhado para cada combinação de tamanho de revestimento, tamanho do núcleo, número de núcleos e composição química. Além disso, a falta de simetria axial nos desenhos resultantes significa que o MCF não pode ser eficazmente afunilada numa MMF com um núcleo circular. Este papel detalha uma abordagem diferente ao problema: modificando o campo no interior da fibra por ter que passar através de uma superfície plana em vez de ser directamente incidente sobre o revestimento curvo. Usando essa abordagem resulta em umatécnica que é transferível para uma variedade de modelos e tamanhos MCF, particularmente as fibras axialmente simétricas que queremos incorporar lanternas fotônicos.
Para criar a superfície plana necessária, o MCF é colocado dentro de um tubo capilar transparente ao UV que tenha sido triturado e polido de um lado para dar uma parede exterior plana. Um pequeno intervalo deve ser deixado entre a fibra e capilar, uma vez que este último pode conter ± 10 um de diâmetro variações. Veja a Figura 1 para uma representação. Este documento descreve o procedimento experimental para escrever FBGs desta maneira e fornecer exemplos de possíveis melhorias. Para mais informações veja simulações previamente publicados 10 e resultados experimentais 11.
Figura 1. Diagrama do tubo capilar polido tal como utilizado no produto FBGde iões. O MCF é colocado no interior do tubo capilar. A diferença entre os dois deve ser pequeno, mas permitir a pequenas variações de diâmetro. A luz UV que passou através da máscara de fase, em seguida, entra no sistema através do lado plano do tubo capilar. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Protocol
1. Preparação de Polido Capilar Tubes (ANFF OptoFab)
- Obter tubos capilares de vidro com diâmetro interno estreitamente alinhados ao diâmetro da fibra. O mais próximo em tamanho, melhor o desempenho, mas assegurar que uma variação de ± 10 um de tamanho capilar é permitido para. Remova todos os revestimentos de proteção dos tubos capilares. Raspar revestimentos com uma lâmina de barbear para removê-los sem danificar os tubos.
- Taper os tubos capilares a um diâmetro menor, se necessário. Use uma máquina de afilamento automática controlada por computador, se disponível.
- Garantir um comprimento de tubo com grampos em cada extremidade.
- Aquece-se a capilaridade ao ponto de fusão uniformemente em torno do seu diâmetro utilizando um filamento quente localizado entre os grampos.
- Desenhar o capilar por meio do elemento de aquecimento com uma tensão constante, até o comprimento desejado foi afunilada com o diâmetro menor.
- Cortar o tubo capilar em aproximadamente igual wi comprimentosth uma ferramenta de corte de vidro. Certifique-se de que estes são pelo menos 2 cm mais longo do que o comprimento ralar pretendido, mas pequenas o suficiente para caber dentro do polimento equipamentos usados. Nota: Para esta experiência, foi usado um comprimento capilar de 7 cm.
- Anexar 8-10 comprimentos dos capilares para um disco de vidro usando cola curável por UV. Instalar o disco em um gabarito compatível com a máquina de polimento / polimento.
- Usar a máquina de polimento / polimento para moer as paredes expostas dos tubos capilares a uma superfície plana. CUIDADO: Não inalar grit solto. Nota: O elemento abrasivo é de Al 2 O 3 numa suspensão de água de osmose reversa purificada.
- Usar 25 uM grit até que a espessura restante da parede do capilar é de aproximadamente 70 uM. Use de um micrómetro para medir o deslocamento do dispositivo de fixação durante a moagem e, portanto, a quantidade que tenha sido removido.
- Alternar a 5 um grão e de moer até que a espessura restante da parede é de cerca de 50 um.
- Use o marulhar / máquina de polimento para polir a superfície achatada por pelo menos 3 horas, com alta pureza sílica coloidal em dispersão alcalina (NaOH). Nota: Esta restaura a superfície de qualidade óptica. A sílica pode ser impedido de se solidificar por adição de 1 parte de NaOH a 0,004 M a 3 partes de solução de polimento.
- Separa-se os tubos capilares a partir do disco que prende por imersão durante a noite em acetona.
- Examinar os tubos capilares em ambas as extremidades com um microscópio com aumento de 10x de verificar a espessura da parede. Nota: A qualidade capilar boa terá uma parede fina e uniforme (~ 50 mm) ao longo do seu comprimento.
2. Criação de Grades
- Hidrogena-se a MCF para aumentar a fotossensibilidade.
- Coloque as fibras a serem hidrogenados em uma câmara estanque. CUIDADO: Garantir a câmara está firmemente aparafusado, devido à presença de gases pressurizados.
- Bomba de alta pureza H 2 dentro da câmara. Uso N2
- Deixar as fibras dentro da câmara por um período prolongado: 2 semanas a 300 bar e a temperatura ambiente, ou 3 dias a 380 bar e 80 ° C.
- Ventilar os gases provenientes da câmara e remover as fibras. CUIDADO: Certifique-se o quarto é bem ventilado. Os gases podem actuar como uma asfixia, ou o risco de fogo, no caso de H 2.
- Manter as fibras em um congelador com temperatura de -70 ° C ou abaixo até que eles são utilizados. Isto atrasa a taxa de libertação de gás hidrogénio e preserva o aumento da fotossensibilidade.
- Tira o revestimento protetor do MCF. Tira MCFs do mesmo tamanho que SMFs com uma stripper de fibra SMF padrão; caso contrário, raspar o revestimento com uma lâmina de barbear. Remover o revestimento a partir da região em que a grelha é para ser escrito, todo o caminho até à extremidade da fibra.
- Inserir a extremidade descarnada da fibra no interior do tubo capilar, e o tubo de deslize ao longo da fibra de modo que cubra a região ab e inscrito.
- Coloque em óculos de UV-protetora. Monte da fibra na fase de movimento que exerce a máscara de fase, com o lado plano do tubo capilar em ângulo para a máscara de fase. Assegurar a fibra é posicionado dentro do padrão de interferência criado pela máscara, mas não tocando a máscara propriamente dita como isto pode causar danos.
- Alinhar o laser de 244 nm, de modo que o feixe é perpendicular à superfície plana da máscara de fase. Assegure-se que a fibra, pelo menos, recebe de 90 mW de potência de laser.
- Expor um comprimento de 4 cm a fibra para o padrão de interferência de UV, movendo a máscara de fibra e de fase em conjunto em relação ao feixe de entrada a uma velocidade de 0,25 mm / min.
- Remover o tubo capilar a partir da fibra.
- Emparelhar as grades a 110 ° C durante 20 horas para estabilizar a resposta do comprimento de onda. Nota: Este passo é opcional, a grade vai estabilizar, por si só ao longo de cerca de três dias, mas de recozimento faz com que o processo mais rápido.
- Clivar ambas as extremidades da fibra. Use uma faca de fibra que permite ao usuário definir tanto o diâmetro da fibra e tensão para garantir uma superfície de extremidade plana.
- Iluminar uma extremidade da fibra utilizando um laser sintonizável, com um comprimento de onda central de aproximadamente combinado com o comprimento de onda Bragg.
- Ligue uma câmara CCD a um PC com o software de controle para exibir e gravar a saída da fibra. Imagem a saída da fibra com a câmera CCD, usando uma lente objetiva do microscópio com ampliação de 50x na frente da câmera para garantir que todos os núcleos cobrir vários pixels CCD. Nota: Os passos seguintes 3.4.1 - 3.5.5 são específicas para o software personalizado usado pelos autores e representam apenas um método de captura de espectros.
- Selecione uma região circular de pixels correspondentes a cada núcleo, clicando nos centros de núcleos como eles aparecem na imagem no software de controle. Introduzir o diâmetro dos núcleos em unidades de pixels na 'comprimento ou o diâmetro &# 39; campo.
- Grave os valores de pixel registradas pela câmera para as regiões selecionadas. Somar os valores para todos os pixels que cobrem um determinado núcleo para quantificar a taxa de transferência total nesse comprimento de onda.
- Ligue o laser ajustável para o PC de controle para que observações e coleta de dados pode ser automatizado.
- Introduza um comprimento de onda de cerca de 5 nm abaixo do comprimento de onda Bragg no campo "Iniciar Wavelength".
- Definir o incremento de comprimento de onda do laser para 0,01 nm no 'Scan - Passo "campo. Nota: Ajuste o atraso entre as etapas para pelo menos 300 ms para que lasing é estável em cada comprimento de onda antes das medições são gravadas e o passo comprimento de onda próximo ocorre.
- Introduza um comprimento de onda de cerca de 5 nm maior do que o comprimento de onda Bragg no campo 'End Wavelength ".
- Clique no botão "Digitalizar Automatic 'para definir o laser para o início Wavelength definido e aumentar o comprimento de onda pelo incremento escolhido pelo reguintervalos de tempo Lar.
- Grave a intensidade transmitida através de cada núcleo para cada etapa do comprimento de onda. Exportar os valores calculados para um arquivo de texto, permitindo que o "arquivo de texto Save 'opção.
- Repita o exame pelo menos 3 vezes e calcular a média dos dados de todas as corridas.
- Lote transmitida potência contra comprimento de onda para cada núcleo para gerar um conjunto de espectros.
- Comparar os espectros de todos os núcleos para confirmar se que eles têm as mesmas características de supressão. Verifique se o comprimento de onda central, profundidade e largura de banda de cada partida ralar.
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Representative Results
A eficácia desta técnica é melhor demonstrada pela comparação das grades de fibra com vários núcleos de Bragg (MCFBGs) que resultam da exposição com e sem o capilar. A Figura 2 mostra as características de transmissão de um 7-núcleo MCF exposta usando o método padrão para o SMF, com indivíduo Os espectros do núcleo representados por cores diferentes. Não é mínima sobreposição entre os comprimentos de onda reprimidas, e Core # 5 recebeu a exposição mais fraca, resultando em um nível mais raso. Ambos os efeitos são devidos a variações no poder no interior da fibra durante o processo de escrita. Note-se que o corte no plano -36 dB é devido à gama dinâmica limitada da câmara; todos os valores de transmissão são dimensionadas em relação a este mínimo.
Figura 2. Execução dos MCFBG núcleos, sem compensação para a lenteing. Este gráfico mostra o espectro de transmissão de núcleos individuais quando o MCFBG é produzido usando o método padrão para o SMF. Não é mínima sobreposição entre entalhes. (Inset) Diagrama de numeração do núcleo. Adaptado da publicação anterior 11. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Na Figura 3, os mesmos dados são mostrados para uma fibra idêntica, que foi exposta no interior de um tubo capilar com um diâmetro interior de 140 um. (Note-se que os comprimentos de onda Bragg são cerca de 2 nm menor do que no caso anterior, esta grade foi recozido antes da medição. A variação entre os núcleos é mantida antes e depois do recozimento.) Neste MCFBG, 6 dos 7 núcleos têm entalhes bem alinhados, com uma sobreposição centrada em 1548,25 ± 0,01 nm. O núcleo desalinhados, que está localizado no centro dea fibra, tem um comprimento de onda de Bragg 100 pm mais curto do que os outros. O efeito de ter este núcleo é incompatível para limitar a supressão total da fibra para -8.5 dB; Em outras palavras, 1/7 th da luz a 1548,25 nm pode passar livremente através do MCFBG. Se apenas os núcleos de exteriores estão incluídos no cálculo (por exemplo, núcleo # 1 é bloqueado ou de outra forma não iluminada), uma supressão máxima de> 36 dB é possível. Estes resultados são representados graficamente na Figura 4.
Figura 3. Desempenho de núcleos MCFBG com tubo capilar polido. Perfis de transmissão de todos os gradeamentos na fibra 7-núcleo com o tubo capilar usado para compensar o efeito de lente. Os comprimentos de onda de reflexão dos exteriores seis núcleos sobrepõem centrada em 1548,25 ± 0 0,01 nm. A resposta crivo de # núcleo 1, que está localizado no center da fibra, é deslocada no sentido de comprimentos de onda mais curtos. (Inset) Diagrama de numeração do núcleo. Adaptado da publicação anterior 11. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4. O desempenho geral da MCFBG. Comparação de desempenho global da fibra com (azul) e sem (verde) do núcleo central incluído. Adaptado da publicação anterior 11. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Discussion
As Figuras 2 e 3 em conjunto mostram que a introdução do tubo capilar polido (PCT) ao escrever grades é suficiente para melhorar a uniformidade do núcleo espectros no MCFBG. O resto do processo de inscrição é praticamente inalterada a partir de métodos estabelecidos para a criação de grades SMF e podem ser usados com a maioria dos sistemas de escrita FBG existentes. Daí a preparação de PCTs conforme descrito na seção 2 do protocolo é mais crítica para melhorar MCFBG uniformidade. Os melhores resultados são obtidos com os tubos onde a parede polido tem uma pequena espessura consistente,; a espessura de 50 um aqui escolhida dá um compromisso entre manter a resistência do vidro e minimizando a distância entre a fibra e a máscara de fase.
No entanto, mesmo com a PCT existe um efeito adicional que faz com que o núcleo do meio MCF ter um comprimento de onda de resposta diferente para os outros núcleos. Foi utilizado um reg hidrogenação diferenteime como mencionado no Passo 3.1 da secção Protocolo para investigar se a variação foi causado por uma absorção de hidrogénio baixa neste núcleo, mas não foi observada nenhuma melhoria. A variação também não pode ser explicado por núcleos de fundição sombras sobre o outro durante a exposição à radiação UV, como esta iria resultar nos núcleos exteriores 6 também têm respostas mal combinadas. Em vez disso, o comportamento pode ser explicado por o núcleo central que tem diferentes propriedades ópticas aos outros, apesar de ser idênticos quando fabricado.
MCFBGs não podem ser utilizados como substitutos eficazes para os seus homólogos SMF a menos que todos os núcleos dentro de uma única fibra têm o mesmo espectro de transmissão. Temos a intenção de experimentar com correções secundárias para MCFs existentes feitas com o PCT, usando os efeitos da tensão térmica e mecânica para mudar os comprimentos de onda Bragg dos núcleos exterior para coincidir com o centro. A experiência descrita neste artigo também será repetido para números maiores do núcleo para determinar o extent em que os efeitos de sombreamento e radial Bragg comprimento de onda de variação escala com o número de "anéis" de núcleos.
A técnica é actualmente limitada, em eficácia para o caso de fibras muito grandes ou números elevados de núcleo. No primeiro cenário, os núcleos em uma fibra grande que estão mais afastados do feixe de entrada não estão expostos ao padrão de interferência. Isto é porque nós usamos um interferômetro Mach-Zender nestas experiências que limita a profundidade máxima de gravação; este efeito ocorre porque o padrão de interferência estende-se apenas algumas centenas de microns para além da máscara de fase. Pretendemos abordar este problema em futuras experiências com um interferómetro de Sagnac redesenhado, o que terá uma profundidade de campo de pelo menos o dobro do equipamento actual. Na segunda situação, em que o número total do núcleo é grande, alguns núcleos, podem ser posicionados dentro de sombras de núcleos mais perto da máscara de fase. O efeito disto na qualidade MCFBG ainda não é conhecida; vamos Investigate este com 19-, 37-, e 55-fibras de núcleo, usando o método descrito acima.
Estas experiências têm mostrado que o mínimo, mudanças de baixo custo para o procedimento escrito ralar pode estender a sua aplicabilidade para além SMFs. Uma vez MCFBGs pode ser criado com capacidades de filtragem igual a tecnologia existente SMF, eles podem ser empregues em qualquer aplicação de fotónica, permitindo a construção de dispositivos compactos e robustas, sem sacrificar o desempenho. Conforme descrito na introdução, o objetivo principal dos autores é incorporar MCFBGs em novos instrumentos astronômicos; No entanto, eles podem potencialmente ser empregue em qualquer sistema que já faz uso de um único modo de óptica e / ou a filtragem de comprimentos de onda preciso. Tal como os seus homólogos de modo único, MCFBGs pode ser utilizado na transmissão e reflexão, dependendo da aplicação.
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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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