Skriva Bragg-gitter i multicore Fibrer

Summary

We describe a technique for inscribing identical fiber Bragg gratings into each core of a multicore fiber. This is achieved by introducing an additional surface into the optical path to mitigate lensing by the curved surface of the fiber cladding.

Abstract

Fiber Bragg gratings in multicore fibers can be used as compact and robust filters in astronomical and other research and commercial applications. Strong suppression at a single wavelength requires that all cores have matching transmission profiles. These gratings cannot be inscribed using the same method as for single-core fibers because the curved surface of the cladding acts as a lens, focusing the incoming UV laser beam and causing variations in exposure between cores. Therefore we use an additional optical element to ensure that the beam shape does not change while passing through the cross-section of the multicore fiber. This consists of a glass capillary tube which has been polished flat on one side, which is then placed over the section of the fiber to be inscribed. The laser beam enters the fiber through the flat surface of the capillary tube and hence maintains its original dimensions. This paper demonstrates the improvements in core-to-core uniformity for a 7-core fiber using this method. The technique can be generalized to larger multicore fibers.

Introduction

Fiber Bragg-gitter (FBGs) används i stor utsträckning som smalbandiga filter på grund av det faktum att de kan anpassas till ett stort antal ansökningar ^1. De är inte begränsade till att undertrycka enstaka våglängder; komplex transmissionsspektra kan skapas genom användning av aperiodiska brytningsindexvariationer ^2. En begränsning är att FBGs endast kan skrivas in i enkelmodsfibrer (SMF), som våglängden som är undertryckt för en given gitterperiod beror på utbredningskonstanten. I en multimodfiber (MMF), där varje läge har en annan utbredningskonstanten, är det undertryckta våglängd för varje läge annorlunda och därmed gallret inte ger stark suppression på en enda våglängd.

Drivkraften för detta experiment kommer från astronomi. Enligt se-begränsade betingelser, är svårt och ineffektivt direktkoppling till en SMF; extrema adaptiv optik är skyldig att göra det ^tre. På grund av detta, PMF är typmatiskt används när du samlar ljus från teleskopet fokalplan ^4. Därför för att hålla funktionaliteten tillgänglig endast för SMF, är det nödvändigt att ha effektiv omvandling mellan SMF och MMF. Detta är möjligt med det fotoniska lykta, en anordning som består av en multimode port ansluten till en matris med SMF via en avsmalnande övergång ^5. Fotoniska lyktor användes i GNOSIS instrumentet, vid vilken SMF innehöll FBGs att avlägsna atmosfäremissionslinjer (orsakad av OH-radikaler och andra molekyler) från nära-infraröda observationer ^6. Nackdelarna med att använda enskilda, single-core SMF för denna uppgift är att de måste skrivas en efter en och skarvas individuellt i den optiska tåg, som kräver mycket tid och manuellt arbete. Den teknik som beskrivs i den här artikeln försöker ta itu med dessa brister genom att använda en mer komplex fiber format för att ge den single-mode funktionalitet.

Nästa generation OH suppression instrument PRAXIS ⁷ kommer att använda sig av flerkärniga fibrer (MCFs). Dessa fibrer innehåller valfritt antal enkel moded kärnor inbäddade i en enda mantel. Fördelen med detta tillvägagångssätt är att det MCF kan vara avsmalnande i en MMF med den resulterande fotoniska lyktan är en kompakt och robust självständig enhet. I den färdiga instrumentet, kommer ljus från teleskopet kopplas till MMF-porten på lykta; avsmalnings övergången skall skilja denna ljus i single-mode-kärnor där det kommer att passera genom FBGs. Efter våglängden filtrering av den återstående ljuset är dispergerad på en detektor, spektra uppsamlades.

Använda MCFs snabbar också upp processen att skriva galler, eftersom alla kärnor kan skrivas in i ett enda pass. Dock måste skrivprocessen ändras för att säkerställa att alla kärnor har samma reflektionsegenskaper. Detta beror på den krökta ytan av kapseln fungerar som en lins under sido skrivning av de FBGs, resulting i en UV-område som varierar i styrka och riktning vid varje kärna om standardsidoskrivmetod används. Därför varje kärna kommer att ha en annan sändningsprofil och fibern kommer inte att ge stark dämpning vid en enda våglängd ^8.

En grupp vid Naval Research Laboratory experimenterade med att ändra fördelningen och ljuskänslighet kärnor att neutralisera verkningarna av denna variation ^9. Nackdelen med att använda en sådan strategi är att fibern måste omformas för varje kombination av kapslingsstorlek, kärnstorlek, antalet kärnor och kemiska sammansättning. Dessutom har avsaknaden av axiell symmetri i de resulterande mönster betyder att MCF inte effektivt kan avsmalnande i en MMF med en cirkulär kärna. Detta dokument detaljer en annan inställning till problemet: att ändra fältet i fibern genom att den passerar genom en plan yta istället för att vara direkt infallande på den krökta kapslingen. Med hjälp av denna metod resulterar i enteknik som kan överföras till en mängd olika MCF mönster och storlekar, i synnerhet de axiellt symmetriska fibrer som vi vill införliva i fotoniska lyktor.

Att skapa den nödvändiga plana ytan, är MCF placeras inuti en UV-transparent kapillärrör, som har malts och poleras på en sida för att ge en plan yttre vägg. Ett litet mellanrum måste lämnas mellan fibern och kapillären, eftersom det senare kan innehålla ± 10 | im variationer i diameter. Se figur 1 för en representation. Detta dokument beskriver den experimentella procedur för att skriva FBGs på detta sätt och ger exempel på möjliga förbättringar. För mer information, se tidigare publicerade simuleringar ¹⁰ och experimentella resultat ^11.

Figur 1. Diagram över polerad kapillärrör som används i FBG produktjon. Den MCF är placerad inuti kapillärröret. Gapet mellan de två bör vara liten, men tillåta små variationer i diameter. UV ljus som har passerat genom fasmaskeringen går sedan systemet genom den platta sidan av kapillärröret. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Protocol

1. Beredning av Polerat Kapillärrör (ANFF OptoFab) Skaffa glas kapillärrör med innerdiameter svara mot fiberdiameter. Ju närmare i storlek, desto bättre prestanda, men se till att en ± 10 | im variation i kapillärstorlek är tillåten för. Ta bort alla skyddsbeläggningar från kapillärrören. Raka av beläggningar med ett rakblad för att ta bort dem utan att skada rören. Avsmalna kapillärrören till en mindre diameter om så önskas. Använda en dator-styrd automatisk formningsmaskin o…

Representative Results

Effektiviteten av denna teknik är bäst demonstreras genom att jämföra flerkärniga Fiber Bragg-gitter (MCFBGs) som en följd av exponering med och utan kapillär. Figur 2 visar transmissionsegenskaperna hos en 7-core MCF utsatt användning av standardmetoden för SMF, med individuell kärnspektra som representeras av olika färger. Det är minimal överlappning mellan de undertryckta våglängder och kärn # 5 har fått svagare exponering resulterar i en grundare sk?…

Discussion

Figurerna 2 och 3 visar tillsammans att införa den polerade kapillärröret (PCT) när man skriver gitter är tillräcklig för att förbättra enhetligheten hos kärnspektra i MCFBG. Resten av inskriptionen processen är i stort sett oförändrad från etablerade metoder för att skapa SMF gitter och kan användas med de flesta befintliga FBG skriftsystem. Därför framställning av PCT som beskrivs i avsnitt 2 i protokollet är mest kritiska för att förbättra MCFBG enhetlighet. De…

Materials

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			0.004M
Fiber cleaver	Vytran	LDC-400
Tunable laser	JDS Uniphase	SWS15101
IR Camera	Xenics	XEVA-1429	320×256 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