Introduction
Rejillas de Bragg de fibra (FBG) son ampliamente utilizados como filtros de banda estrecha debido al hecho de que pueden ser personalizadas para un gran número de aplicaciones 1. No se limitan a la supresión de las longitudes de onda individuales; espectros de transmisión compleja puede ser creado por el uso de aperiódicas variaciones del índice de refracción 2. Una limitación es que FBGs sólo pueden ser inscritos en fibras monomodo (SMF), ya que la longitud de onda que se suprime por un período de rejilla dada depende de la constante de propagación. En una fibra multimodo (MMF), donde cada modo tiene una constante de propagación diferente, la longitud de onda suprimido para cada modo es diferente y por lo tanto, la rejilla no da supresión fuerte en cualquier longitud de onda única.
El impulso para este experimento viene de la astronomía. Bajo condiciones de visibilidad limitada, el acoplamiento directo en un SMF es difícil e ineficiente; Se requiere la óptica adaptativa extrema de hacerlo 3. Debido a esto, los FMM son típcamente utilizado en la recogida de la luz desde el plano focal del telescopio 4. Por lo tanto, con el fin de mantener la funcionalidad disponible sólo para SMF, es necesario tener una conversión eficiente entre los SMF y los FMM. Esto es posible con el farol fotónico, un dispositivo que consiste en un puerto multimodo conectado a una serie de SMF a través de una transición cónica 5. Linternas fotónicos se utilizaron en el instrumento GNOSIS, en el que el SMF contenía FBGs para eliminar las líneas de emisión a la atmósfera (causado por los radicales OH y otras moléculas) a partir de observaciones en el infrarrojo cercano 6. Los inconvenientes de la utilización, SMF un solo núcleo individuales para esta tarea son que deben ser escritos uno por uno y se unen individualmente en el tren óptico, lo que requiere mucho tiempo y esfuerzo manual. La técnica descrita en este artículo se propone abordar estas deficiencias utilizando un formato más complejo de fibra para proporcionar la funcionalidad de modo único.
El Suppr OH próxima generaciónesión instrumento PRAXIS 7 hará uso de fibras de múltiples núcleos (FMC). Estas fibras contienen cualquier número de núcleos monomodo incrustados en un solo revestimiento. La ventaja de este enfoque es que la FMC puede ser disminuido en un MMF con el farol fotónico que resulta ser una unidad compacta y robusta autónomo. En el instrumento terminado, la luz del telescopio se acopla en el puerto MMF de la linterna; la transición cónica separará esta luz en los núcleos monomodo donde va a pasar a través de los FBG. Después de que la longitud de onda de la filtración de la luz restante se dispersa sobre un detector, los espectros recogidos.
El uso de los FMC también acelera el proceso de rejillas de escritura, ya que todos los núcleos se pueden inscribir en una sola pasada. Sin embargo, el proceso de escritura debe ser modificado con el fin de asegurar que todos los núcleos tienen las mismas características de reflexión. Esto es porque la superficie curvada del revestimiento actúa como una lente durante side-escritura de las FBGs, resulting en un campo UV que varía en potencia y la dirección en cada núcleo si se utiliza el método de lado de escritura estándar. Por lo tanto cada núcleo tendrá un perfil de transmisión diferente, y la fibra no proporcionará supresión fuerte a una sola longitud de onda 8.
Un grupo en el Laboratorio de Investigación Naval experimentó con la modificación de la distribución y la fotosensibilidad de núcleos para cancelar los efectos de esta variación 9. La desventaja de usar este enfoque es que la fibra debe ser rediseñado para cada combinación de tamaño de revestimiento, el tamaño del núcleo, el número de núcleos y composición química. Además, la falta de simetría axial en los diseños resultantes significa que el MCF no puede ser cónico con eficacia en un MMF con un núcleo circular. Este documento detalla un enfoque diferente al problema: la modificación del campo dentro de la fibra por tener que pasar a través de una superficie plana en lugar de ser directamente incidente sobre el revestimiento curvo. Usando este enfoque se traduce en unatécnica que se puede transferir a una variedad de diseños y tamaños MCF, en particular las fibras axialmente simétricas que deseamos incorporar en linternas fotónicos.
Para crear la superficie plana es necesario, el MCF se coloca dentro de un tubo capilar transparente a UV que se ha molido y pulido en un lado para dar una pared exterior plana. Un pequeño espacio debe dejarse entre la fibra y capilar, ya que este último puede contener ± 10 micras variaciones en el diámetro. Véase la Figura 1 para una representación. Este documento describe el procedimiento experimental para escribir FBG de esta manera y dar ejemplos de las posibles mejoras. Para obtener más información, ver simulaciones previamente publicados 10 y 11 resultados experimentales.
Figura 1. Diagrama de tubo capilar pulido tal como se utiliza en el producto FBGde iones. El MCF se coloca dentro del tubo capilar. La brecha entre los dos debe ser pequeña, pero permitir pequeñas variaciones en el diámetro. La luz UV que ha pasado a través de la máscara de fase y luego entra en el sistema a través de la parte plana del tubo capilar. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Protocol
1. Preparación de pulido tubos capilares (ANFF OptoFab)
- Obtener tubos capilares de vidrio con un diámetro interno de naturaleza muy similar diámetro de la fibra. Cuanto más cerca en tamaño, mejor será el rendimiento, pero asegúrese de que se permite una variación de ± 10 micras de tamaño capilar para. Retire cualquier capa protectora de los tubos capilares. Afeitar de recubrimientos con una hoja de afeitar para eliminarlos sin dañar los tubos.
- Taper los tubos capilares de un diámetro más pequeño, si es necesario. Use una máquina de estrechamiento automático controlado por ordenador, si está disponible.
- Asegurar un tramo de tubo con abrazaderas en cada extremo.
- Calentar el capilar de punto de fusión uniformemente alrededor de su diámetro utilizando un filamento caliente situado entre las mordazas.
- Dibuje el capilar a través del elemento de calentamiento con una tensión constante hasta que la longitud deseada se ha cónico con el diámetro más pequeño.
- Cortar el tubo capilar en aproximadamente igual wi longitudesth una herramienta de corte de vidrio. Asegúrese de que estos son por lo menos 2 cm más largo que la longitud de rejilla previsto, pero lo suficientemente pequeño como para caber dentro del pulido equipo utilizado. Nota: Para este experimento, se utilizó una longitud del capilar de 7 cm.
- Adjuntar 8-10 de las longitudes de capilares de un disco de vidrio usando pegamento curable por radiación UV. Instalar el disco en una plantilla compatible con la máquina de esmerilado / pulido.
- Utilice la máquina de lapeado / pulido para moler las paredes expuestas de los tubos capilares a una superficie plana. PRECAUCIÓN: No inhalar el grano suelto. Nota: El elemento abrasivo es Al 2 O 3 en una suspensión de agua purificada por ósmosis inversa.
- Utilice 25 micras de grano hasta que el espesor restante de la pared capilar es de aproximadamente 70 micras. Use un micrómetro para medir el desplazamiento de la plantilla durante la molienda y por tanto la cantidad que se ha quitado.
- Cambie a 5 micras de grano y moler hasta que el espesor restante de la pared es de aproximadamente 50 micras.
- Utilice el / la máquina pulidora de lapeado para pulir la superficie aplanada durante al menos 3 horas con alta pureza de sílice coloidal de la dispersión alcalina (NaOH). Nota: Esto restaura la superficie de calidad óptica. La sílice se puede evitar que la solidificación mediante la adición de 1 parte NaOH 0,004 M y 3 partes de solución de pulido.
- Separar los tubos capilares desde el disco de retención al remojo durante la noche en acetona.
- Examinar los tubos capilares en ambos extremos con un microscopio con un aumento de 10X para comprobar el espesor de la pared. Nota: Un capilar de buena calidad tendrá una pared delgada y uniforme (~ 50 m) a lo largo de su longitud.
2. Creación de Rejillas
- Hidrogenar el MCF para aumentar la fotosensibilidad.
- Colocar las fibras para ser hidrogenados en una cámara hermética sellada. PRECAUCIÓN: Asegúrese de que la cámara está bien atornillado debido a la presencia de gases a presión.
- Bomba de alta pureza de H2 en la cámara. El uso de N2
- Deje las fibras dentro de la cámara durante un período prolongado: 2 semanas a 300 bar y la temperatura ambiente, o 3 días a 380 bar y 80 ° C.
- Ventilar los gases procedentes de la cámara y retire las fibras. PRECAUCIÓN: Asegúrese de que la habitación esté bien ventilada. Los gases pueden actuar como asfixiantes, o el riesgo de incendios en el caso de H2.
- Mantener las fibras en un congelador con temperatura -70 ° C o por debajo hasta que se utilizan. Esto ralentiza la velocidad de liberación de gases de hidrógeno y conserva la mayor fotosensibilidad.
- Franja de la capa protectora de la MCF. Los FMC tira del mismo tamaño que los SMF con un separador de fibra SMF estándar; de lo contrario afeitará el recubrimiento con una hoja de afeitar. Retire el recubrimiento de la región en la que la rejilla se va a escribir, todo el camino hasta el extremo de la fibra.
- Insertar el extremo pelado de la fibra en el tubo capilar, y deslice el tubo a lo largo de la fibra de modo que cubra la región a b e inscrito.
- Poner en gafas con protección UV. Montar la fibra en la etapa de movimiento que tiene la máscara de fase, con el lado plano del tubo capilar en ángulo hacia la máscara de fase. Asegúrese de que la fibra se coloca dentro del patrón de interferencia creado por la máscara, pero sin tocar la máscara en sí, ya que puede causar daños.
- Alinear el láser 244 nm de manera que el haz es perpendicular a la superficie plana de la máscara de fase. Asegúrese de que la fibra recibe al menos 90 mW de potencia del láser.
- Exponer una longitud 4 cm de la fibra para el patrón de interferencia UV moviendo la máscara de la fibra y la fase junto con respecto al haz de entrada a una velocidad de 0,25 mm / min.
- Quitar el tubo capilar de la fibra.
- Recocer la rejilla a 110 ° C durante 20 horas para estabilizar la respuesta de longitud de onda. Nota: Este paso es opcional como la rejilla se estabilizará por sí mismo durante el curso de aproximadamente tres días, pero hace que el proceso de recocido más rápido.
- Cleave ambos extremos de la fibra. Utilice un cuchillo de fibra que permite al usuario configurar tanto diámetro de la fibra y la tensión para asegurar una superficie de extremo plana.
- Iluminar un extremo de la fibra utilizando un láser sintonizable con una longitud de onda central de aproximadamente adaptada a la longitud de onda de Bragg.
- Conectar una cámara CCD a un PC con el software de control para visualizar y registrar la salida de la fibra. La imagen de salida de la fibra con la cámara CCD, utilizando una lente objetivo de microscopio con 50X de aumento en frente de la cámara para asegurar que todos los núcleos cubren múltiples píxeles del CCD. Nota: Los siguientes pasos 3.4.1 - 3.5.5 son específicos para el software personalizado utilizado por los autores y representan sólo un método de captura de espectros.
- Seleccione una región circular de píxeles correspondientes a cada núcleo haciendo clic en los centros de los núcleos en que aparecen en la imagen en el software de control. Introducir el diámetro de los núcleos en unidades de píxeles en la 'longitud o diámetro y# 39; campo.
- Registre los valores de los píxeles registrados por la cámara de las regiones seleccionadas. Sumar los valores para todos los píxeles que cubren un núcleo dado para cuantificar el rendimiento total en esa longitud de onda.
- Conectar el láser sintonizable para el PC de control para que las observaciones y la recogida de datos se pueden automatizar.
- Introduzca una longitud de onda de aproximadamente 5 nm por debajo de la longitud de onda de Bragg en el campo "Start Longitud de onda '.
- Establece el incremento de la longitud de onda del láser a 0,01 nm en el 'Scan - Paso' campo. Nota: Ajuste el retraso entre los pasos a por lo menos 300 ms para que la acción láser es estable a cada longitud de onda antes de las mediciones se registran y se produce el siguiente paso de longitud de onda.
- Introduzca una longitud de onda de aproximadamente 5 nm mayor que la longitud de onda de Bragg en el campo 'Fin de longitud de onda'.
- Haga clic en el botón "Scan automático" para ajustar el láser a la longitud de onda de inicio definida y aumentar la longitud de onda por el incremento elegido en el Reglaintervalos de tiempo lares.
- Registrar la intensidad transmitida a través de cada núcleo para cada paso de longitud de onda. Exportar los valores calculados a un archivo de texto al permitir que el 'archivo de texto Guardar "opción.
- Repetir la búsqueda del por lo menos 3 veces y promediar los datos de todas las carreras.
- Parcela transmite potencia con respecto a la longitud de onda para cada núcleo para generar un conjunto de espectros.
- Comparación de los espectros de todos los núcleos para confirmar si tienen las mismas características de supresión. Compruebe que la longitud de onda central, la profundidad y el ancho de banda de cada partido rejilla.
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Representative Results
La eficacia de esta técnica se demuestra mejor mediante la comparación de las rejillas de fibra multinúcleo Bragg (MCFBGs) que resultan de la exposición con y sin el capilar. La figura 2 muestra las características de transmisión de un 7-core MCF expuesto utilizando el método estándar para SMF, con individuo Los espectros básicos representados por diferentes colores. Hay un mínimo solapamiento entre las longitudes de onda suprimidas, y el núcleo # 5 ha recibido la exposición más débil que resulta en una muesca menos profunda. Ambos efectos se deben a las variaciones en el poder dentro de la fibra durante el proceso de escritura. Tenga en cuenta que el punto de corte plana a -36 dB se debe al limitado rango dinámico de la cámara; todos los valores de transmisión se escalan en relación con este mínimo.
Figura 2. Rendimiento de MCFBG núcleos, sin compensación para la lenteing. Este gráfico muestra los espectros de transmisión de núcleos individuales cuando el MCFBG se produce utilizando el método estándar para SMF. Existe un solapamiento mínimo entre las muescas. (Recuadro) Esquema de numeración del núcleo. Adaptado de la publicación anterior 11. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
En la Figura 3, los mismos datos se muestra para una fibra idéntica que se expuso el interior de un tubo capilar con un diámetro interior 140 micras. (Tenga en cuenta que las longitudes de onda de Bragg son aproximadamente 2 nm menor que en el caso anterior ya que esta rejilla fue recocida antes de la medición. La variación entre los núcleos se mantiene antes y después del recocido.) En este MCFBG, 6 de los 7 núcleos han muescas bien alineados, con un solapamiento con centro en 1548,25 ± 0,01 nm. El núcleo mal alineados, que se encuentra en el centro dela fibra, tiene una longitud de onda de Bragg 100 pm más corto que los otros. El efecto de tener este núcleo no coincidente es limitar la supresión total de la fibra a -8.5 dB; en otras palabras, 1/7 º de la luz en 1548,25 nm puede pasar libremente a través de la MCFBG. Si sólo los núcleos exteriores se incluyen en el cálculo (es decir, el núcleo # 1 está bloqueado o no se apaga), una supresión máxima de> 36 dB es posible. Estos resultados están representados gráficamente en la Figura 4.
Figura 3. Rendimiento de núcleos MCFBG con tubo capilar pulido. Perfiles de transmisión de todas las rejillas en la fibra 7 núcleos con el tubo capilar se usa para compensar el efecto de lente. Las longitudes de onda de la reflexión de los exteriores seis núcleos se superponen centran en 1548,25 ± 0 0,01 nm. La respuesta del enrejado de Core # 1, que se encuentra en el center de la fibra, está desplazado hacia longitudes de onda más cortas. (Recuadro) Esquema de numeración del núcleo. Adaptado de la publicación anterior 11. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4. El rendimiento global de MCFBG. Comparación de los resultados globales de fibra con (azul) y sin (verde) del núcleo central incluidos. Adaptado de la publicación anterior 11. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Discussion
Las figuras 2 y 3 juntos muestran que la introducción del tubo capilar pulido (PCT) al escribir rejillas es suficiente para mejorar la uniformidad de los espectros de núcleo en la MCFBG. El resto del proceso de inscripción es prácticamente igual al de los métodos establecidos para la creación de rejillas SMF y se puede utilizar con la mayoría de los sistemas de escritura de FBG existentes. Por lo tanto la preparación de los PCT como se indica en el apartado 2 del protocolo es más crítica para mejorar la uniformidad MCFBG. Los mejores resultados se consiguen con los tubos donde la pared pulido tiene un espesor constante, pequeña; el espesor 50 micras elegido aquí da un compromiso entre el mantenimiento de la resistencia del vidrio y reducir al mínimo la distancia entre la fibra y la máscara de fase.
Sin embargo, incluso con la PCT hay un efecto adicional que hace que el núcleo medio de la MCF tener una respuesta de longitud de onda diferente a los otros núcleos. Se utilizó un reg hidrogenación diferenteime como se ha mencionado en el paso 3.1 de la sección Protocolo para investigar si la variación se debe a una menor absorción de hidrógeno en este núcleo, pero no se observó mejoría. La variación también no puede explicarse por los núcleos de la proyección de sombras entre sí durante la exposición UV, ya que esto daría lugar a las 6 núcleos exteriores también tienen respuestas mal emparejados. En cambio, el comportamiento puede ser explicado por el núcleo central que tiene propiedades ópticas diferentes a los otros, a pesar de ser idénticos cuando se fabrica.
MCFBGs no se puede utilizar como sustitutos efectivos para sus homólogos SMF a menos que todos los núcleos dentro de una única fibra tienen el mismo espectro de transmisión. Tenemos la intención de experimentar con correcciones secundarias a los FMC existentes realizados con el PCT, el uso de los efectos de la tensión térmica y mecánica para cambiar las longitudes de onda de Bragg de los núcleos exteriores para que coincida con el centro. El experimento descrito en este artículo también se repetirá para los números centrales más grandes para determinar la extensiónent para qué escala de variación efectos de sombreado y longitud de onda de Bragg radial con el número de "anillos" de núcleos.
La técnica se limita actualmente en la eficacia para el caso de muy grandes de fibras o un número elevado de núcleo. En el primer escenario, los núcleos en una fibra de gran tamaño que están más lejos de la viga de entrada no están expuestos a la figura de interferencia. Esto se debe a que utilizamos un interferómetro de Mach-Zender en estos experimentos, lo que limita la profundidad máxima de escritura; este efecto se debe a que el patrón de interferencia se extiende sólo unos pocos cientos de micras más allá de la máscara de fase. Tenemos la intención de hacer frente a esto en futuros experimentos con un interferómetro de Sagnac rediseñado, que tendrá una profundidad de campo, al menos, el doble que la de los equipos actuales. En la segunda situación en la que el número total del núcleo es grande, algunos núcleos se pueden colocar dentro de las sombras proyectadas por los núcleos más cerca de la máscara de fase. El efecto de esto sobre la calidad MCFBG todavía no se conoce; vamos a Investigate esto con 19-, 37-, y 55 fibras de núcleo utilizando el método descrito anteriormente.
Estos experimentos han demostrado que mínimas, cambios de bajo costo para el procedimiento de escritura de rejilla pueden extender su aplicabilidad más allá de SMF. Una vez MCFBGs se puede crear con capacidades de filtrado igual a la tecnología SMF existente, que se pueden emplear en cualquier aplicación de la fotónica, lo que permite la construcción de dispositivos compactos y robustos sin sacrificar el rendimiento. Como se ha señalado en la introducción, el principal objetivo de los autores es incorporar MCFBGs en nuevos instrumentos astronómicos; sin embargo, potencialmente pueden ser empleados en cualquier sistema que ya hace uso de la óptica de modo único y / o el filtrado de la longitud de onda precisa. Al igual que sus homólogos de modo único, MCFBGs se puede utilizar en la transmisión y reflexión dependiendo de la aplicación.
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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).
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