In-situ Tapering de fibra chalcogenide para Geração supercontinuum infravermelho médio

Descreve-se um método para In-situ Afinando de Como ₂ S ₃ Fibras para alcançar geração supercontínuo infravermelho médio eficiente. Por afinando enquanto monitora o espectro do supercontínuo, a largura espectral pode ser maximizada por um cone de fibra. In-situ Fibra afilamento pode ser aplicado para optimizar o desempenho de outros dispositivos de fibra óptica.

Supercontínuo geração (SCG) em uma fibra chalcogenide cônico é desejável para a ampliação do infravermelho médio (ou mid-IR, aproximadamente o comprimento de onda 2-20 mm) pentes de freqüência ^{1, 2} para aplicações como fingerprinting molecular, ^{3 de} detecção de gases, ⁴ aceleração de partículas a laser orientado, ⁵ e de raios-x de produção por meio de geração de harmónicas de alta ^6. Atingir SCG eficiente numa fibra óptica afunilada requer um controlo preciso da dispersão da velocidade de grupo (GVD) e as propriedades temporais dos impulsos ópticos no início do fibra de ^7, o que depende fortemente da geometria do cone. ⁸ Devido a variações na configuração e afilar procedimento para a SCG experiências sucessivas, tais como comprimento das fibras, afilando temperatura ambiente, ou da potência acoplado à fibra, a monitorização in situ espectral de o SCG é necessário otimizar o espectro de saída para um único experimento.

Fibra in situ afilada para a SCG consiste no acoplamento da fonte de bomba através da fibra a ser afunilada para um dispositivo de medição espectral. A fibra é então afunilada enquanto que o sinal de medição espectral é observada em tempo real. Quando o sinal atinge o seu pico, a redução gradual está parado. O processo de afunilamento in situ permite a geração de um, oitava-medindo, pente de frequência média-IR estável do sub harmónica de um pente de frequência infravermelho próximo disponível comercialmente. ⁹ Este método reduz os custos, devido à redução do tempo e materiais necessários para o fabrico de um cone com um comprimento óptimo da cintura de apenas 2 mm.

A técnica de afilamento in situ pode ser estendido para optimizar fibra óptica microtexturizada (MOF) para a SCG ¹⁰ ou a sintonização de banda passante de MOF, ¹¹ pares de fibras optimização afuniladas para acopladores de fibra fundida ¹² e multiplexadores de divisão de comprimento de onda (WDMs), ¹³ou modificação de compensação de dispersão para compressão ou alongamento de pulsos ópticos. ^14-16

Depois de ter sido produzido pela primeira vez no intervalo de comprimento de onda visível ^1,7 fontes SCG têm se deslocado para o meio-IR, em grande parte impulsionado por aplicações em espectroscopia. ^{3, 4} fibras chalcogenide, que incluem sulfetos, selenetos e teluretos, ter sido um material popular para meados da década de IR devido à sua baixa perda de propagação e alta não-linearidade, ¹⁸ a menos de 100 dB / km e ¹⁹ ~ 200 vezes maior que a de sílica para As ₂ S _3, ²⁰ respectivamente. No entanto, o comprimento de onda da maioria dos GVD nulo calcogenetos localiza-se em meados da década de IR, para além do centro do comprimento de onda da maioria das fontes disponíveis bombas ultra-rápida, tornando SCG desafio num material a granel ou a um único modo de fibra calcogeneto padrão. Dispersão de guia de onda pode ser utilizado para modificar o ponto de GVD zero para a SCG. ⁷ Métodos para a introdução da dispersão de guia de onda de fibra forte incluem ^{afilada, 8, 21,} usando fibras, ^22-24 ou microestruturadasainda uma combinação dos dois. ¹⁰ Ao deslocar o comprimento de onda abaixo de zero GVD o comprimento de onda da bomba, a bomba vai experimentar dispersão anómala na fibra. No regime de dispersão anômala, formação soliton ocorre por meio de equilibrar o chirp linear causada por modulação de fase eu eo chirp linear causada por GVD. Para uma fonte de bomba femtosecond, alargamento espectral é normalmente dominado por cisão ou quebra de soliton pulso, que ocorre depois de uma compressão temporal do impulso inicial, como se propaga ao longo da fibra. ⁷ No caso da fibra de afunilamento, o cálculo do total de GVD, incluindo tanto material quanto dispersão da guia de onda pode fornecer uma aproximação do diâmetro do cone final necessário para produzir um espectro significativamente alargado. Devido a forte dependência da GCS em GVD e flutuações entre ensaios experimentais, incluindo alterações no comprimento da fibra antes da região afunilada e o acoplamento da bomba com a fibra, a aproximação de f calculado não é suficienteou alcançar um cone otimizado em um único julgamento. Monitoramento espectral permite essas variações na configuração experimental a serem observadas e contabilizadas em afinando in-situ.

Além disso, a geração de um supercontínuo eficiente (SC) numa fibra curta afunilado reduz a quantidade de ruído a amplificação não linear preservar a coerência do SCG e as propriedades da fonte de bomba de comb frequência. ^25-27 gestão adequada dispersão e, portanto, a necessidade de, em situ afilada, torna-se ainda mais crítica quando o comprimento da fibra é curto, tal como as escalas de tolerância SCG com comprimento.

A configuração afilada in situ começa com a fonte da bomba, que é a subharmônica de um mode-locked de fibra dopada com Er, ^9, acoplado ao núcleo da A ₂ S ₃ fibra que vai ser afunilada. A saída da fibra é então acoplado a um dispositivo que caracteriza o perfil espectral. Nas experiment, de um detector de InSb após um monocromador com ~ 20 nm de resolução é usado para monitorar uma porção do espectro de saída, onde não existe inicialmente um sinal muito baixo a partir da fonte da bomba (em ~ 3,9 mm) de modo a que a fibra pode ser monitorizada, enquanto afinando. Quando a fibra é afunilada e alarga o espectro, a medição do espectro de sinal aumenta medida que a dispersão é optimizado para a experiência individual. Através da monitorização do espectro, durante o processo de afunilamento, afilada pode ser parada no momento em que o alargamento espectral foi maximizada. Afilamento in situ permite a gestão optimizada de dispersão para a SCG eficiente num cone de fibra. Afinando com uma zona de calor estreito estática produz um cone de fibra curta de cintura, ^28, que permite a SCG baixo nível de ruído. Juntos, estática in-situ afinando pode ativar coerente, de baixo ruído, oitava-medindo SCG em meados da década de IR.

1. Afinando Fabricação de Instalação (Consulte Configuração montado na Figura 1)

1. Fixar as fases lineares motorizados na placa de montagem (aproximadamente centrado), de modo que as fases estão em contacto e, se traduzirá em direcção e para longe uma da outra
2. Preparar e colocar os suportes de fibra
   1. Anexar dois postos ópticas para as placas de fase lineares motorizados (um de cada), utilizando os furos mais próximos uns dos outros.
   2. Fixe os suportes de fibra óptica nua para os topos dos postes. Certifique-se de que o V-grooves para a fibra estão alinhados. (Nota: a altura das montagens de fibra óptica nua dá mais ou menos a altura do feixe do sistema Escolher o futuro pós e alturas pedestal em conformidade.).
3. Preparar e colocar a entrada e saída de elementos de acoplamento
   1. Prenda as etapas de tradução lineares para as fases lineares motorizados (uma para entrada e outra para o lado da saída) com as placas adaptadoras.
   2. Coloque a AR revestido ZnSe entrada acoplamento lens (montado em um suporte óptico com x e y tradução em um pedestal) na fase de tradução de entrada. Escolher uma distância focal, que dá acoplamento óptima a partir da fonte da bomba para o núcleo da fibra. Certifique-se o centro da lente está na mesma altura que o V-ranhuras das braçadeiras de fibras.
   3. Coloque o ZnSe lente de acoplamento de saída não revestido (montado em um suporte óptico com x e y tradução em um pedestal) na fase de tradução de saída. Certifique-se o centro da lente está na mesma altura que o v-ranhura.
4. Preparar e colocar o elemento de aquecimento (conforme mostrado na Figura 2)
   1. Máquina o bloco de alumínio com as dimensões desejadas (~ 6 milímetros x 25,4 mm x 17,5 mm), com furos para a fibra (com uma fenda para a inserção e remoção da fibra) e para a monitorização da temperatura da fibra, furos para os aquecedores de cartucho, e 8 / 32 bateu furos na parte superior e inferior para montagem e fixação das resistências.
   2. Insira os aquecedores de cartucho de tele apropriados furos do bloco de alumínio e prenda-os com 8/32 parafusos.
   3. Anexar um posto de cerâmica para o parafuso superior 8/32 set para o isolamento térmico.
   4. Anexar uma pós óptico para o posto de cerâmica e usar um poste de fixação do ângulo direito com um posto óptico adicional para garantir um aquecedor para a fase linear XYZ.
   5. Fixar a fase linear XYZ à placa de montagem de modo a que o orifício para o S ₂ A ₃ de fibra no aquecedor de alumínio pode ser centrada com o V-ranhuras das braçadeiras de fibras.
   6. Traduzir o aquecedor de alumínio com a fase linear XYZ, de modo que o aquecedor não está mais perto dos grampos de fibras ópticas nus, permitindo que a fibra a ser assegurado sem obstrução.

2. Chalcogenide Preparação Fiber

1. Embebe-se um comprimento desejado do encamisado A fibra ₂ S ₃ (devem ser mais longos do que 8,5 centímetros de comprimento o-encamisado fibra necessária para cada cone da fibra) em acetona durante cerca de 10 minutos ou até que ocasaco torna-se macio. (Utilize-se o solvente adequado para o revestimento se utilizando uma fibra diferente).
2. Suavemente remover o revestimento amolecido com um Kimwipe, a remoção de uma secção de não mais que 5 cm de cada vez.
3. Limpar a fibra nua com isopropanol numa kimwipe.
4. Utilizar a beavertail talhador para clivar uma extremidade do A fibra ₂ S _3. Imagem da ponta da fibra descartado para inspecionar a qualidade decompor.
5. Medir e quebrar pelo menos um de 6,35 cm pedaço de fibra de comprimento. Este comprimento da fibra tem de ser aproximadamente 2 cm de comprimento do que o comprimento necessário para a fibra para apenas ficar fora das presilhas de fibra.
6. Utilizar a beavertail talhador para clivar a segunda extremidade da fibra. Imagem da ponta da fibra descartado para inspecionar a qualidade decompor. Evitar o contacto com a primeira extremidade clivada da fibra.
7. Coloque a fibra nos grampos de fibras de configuração afilada. Evitar tocar no centro da fibra (em que a fibra será aquecida).

3. Torneira fibra in siturando Procedimento

1. Par a fonte bomba meados de IR para o modo fundamental da fibra com a lente de ZnSe revestido AR (f = 12,7 mm). Utilizar a lente ZnSe revestidos (f = 20 mm) para a imagem da faceta da fibra com o Pyrocam para assegurar a alimentação é principalmente no modo fundamental de saída. Certifique-se de que a bomba está a propagação do feixe ao longo do eixo da fibra. Se não é, o acoplamento vai mudar quando as fases motorizadas começam a mover-se.
2. 1. Coloque um triturador em frente à fonte de bomba. (Este passo é necessário para AC detectores acoplados).
   2. Acoplar a saída da fibra através do monocromador e do detector utilizando os InSb CAF não revestidos _duas lentes (f = 20 mm), antes e depois do monocromador.
   3. Girar a grade do monocromador para permitir que o lado mais longo do espectro de comprimento de onda para passar através do monocromador até que o sinal transmitido é pouco acima do ruído de fundo (em ~ 3,9 mm). Em vez de filtroção com o monocromador (passos 3.2.2 e 3.2.3), um filtro óptico adequado pode ser usado para medir a potência de comprimentos de onda detectáveis ​​mais longo que o comprimento de onda mais longo que o conteúdo mensurável da bomba.
3. Traduzir o aquecedor de alumínio, até a fibra desliza através da fenda e é centrado no furo da fibra do aquecedor de alumínio.
4. Coloque o nível sensor RTD com um dos aquecedores de cartucho. Pressionar suavemente o sensor RTD contra o aquecedor de alumínio de modo que ele fica em contacto com o bloco como mostrado na Figura 2. Se o RTD não está em contacto com o aquecedor de forma (ou não de uma forma reproduzível), a temperatura do bloco irá ser desconhecido e provocar a ruptura da fibra durante afilamento. Certifique-se de que o sinal para o monocromador não diminuiu.
   1. Uma pequena RTD pode ser colocado dentro do outro orifício do bloco de aquecimento para controlar a temperatura no buraco. (Opcional)
5. Use o microscópio digital para imago fibra no bloco aquecedor para permitir a monitorização da fibra durante o processo de afunilamento. (Opcional)
6. Cubra com a configuração de uma caixa (com orifícios para a entrada e saída de feixes), para reduzir o fluxo de ar e permitem a temperatura afilando estábulo.
7. Com os aquecedores de IDT e cartucho conectado, ligue o controlador de temperatura. Ajustar a temperatura para aproximadamente 200 ° C, onde a fibra começa a amolecer (a temperatura exacta depende das dimensões do aquecedor, a temperatura ambiente, e o fluxo de ar em torno da fibra).
8. Quando a temperatura é estável em torno do ponto de ajuste, iniciar o programa Labview que traduz os estágios motorizados longe um do outro em ~ 10 mM / s em cada direção.
9. Monitoriza o sinal do detector de InSb, que é o sinal de medição espectral. Uma vez que o sinal do detector atinge o seu valor máximo (tome cuidado para não saturar o detector), pare os estágios motorizados e desligar os aquecedores de cartucho (controlador de temperatura).
10. Aguardar ~ 10 min para a fibra para solidificar (o sinal do detector irá diminuir um pouco durante este processo, o mais provável devido à dependência da temperatura do índice de refracção ou contracção térmica).
11. Traduzir o bloco aquecedor ao longo da fibra no sentido de uma braçadeira de fibra em que a fibra é cilíndrica. Em seguida, a traduzir o bloco aquecedor de distância a partir da fibra através da fenda no bloco de aquecimento para permitir que a fibra de passar.
12. Caracterizar a SCG através de medidas espectrais com o monocromador. Um filtro de InAs pode ser necessária para medir com precisão a parcela de longo comprimento de onda do espectro.
13. Remover a fibra, se desejado.

Após a conclusão do processo de afunilamento in situ, o espectro ampliado para cobrir bomba 2,2-5 um (a ~ 40 dB abaixo do pico), como pode ser visto na Figura 3. A energia de pulso da bomba no As ₂ S ₃ da fibra foi de ~ 250 pJ com um comprimento de pulso inicial abaixo de 100 FSEC. A curta duração da cintura afilada, ~ 2,1 milímetros, permite a geração de uma banda larga, SC coerente. Isso preserva as propriedades da fonte de bomba de comb frequência. Mais informações sobre o pente de frequência e outras propriedades da GCS pode ser encontrada em ^1.

A cintura fibra cónica resultante do modo único como fibra ₂ S ₃ (originalmente 7 um de diâmetro de núcleo, revestimento de 160 um de diâmetro e 0,2 NA) é mostrado de uma imagem de SEM na Figura 4. Em um diâmetro de ~ 2,3 mM, o gargalo é demasiado pequeno para ser observado a olho nu, quando na configuração, mas que pode ser observada através de difracção de o fonte de luz fa. A cintura afunilada serão aproximadamente, enquanto a zona de calor efectiva do bloco aquecedor. Afilamento estático gera, uma região de transição exponencial longo da fibra não cónica da fibra cintura afunilada que ocupa os restantes ~ 16 mm de comprimento a puxar.

À medida que a fibra está a ser afunilada, o sinal de medição espectral detectada semelhante Figura 5. Este sinal deve permanecer praticamente constante até alargamento espectral na fibra começa a ocorrer quando a GVD torna-se próxima do ideal. O sinal aumenta até um pico a um comprimento de extração de ~ 18 mm e rapidamente começa a cair quando a GVD passa o ponto óptimo. A largura de 3 dB do pico no sinal de medição espectral é de apenas 252 nm e a largura de 10 dB é 572 nm, o que demonstra a sensibilidade ao diâmetro das fibras afunilada e enfatiza a necessidade de afilamento in situ.

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Figura 1. In-situ Fiber Tapering Setup. A fonte bomba fs é acoplado no As ₂ S ₃ fibra com lente L ₁ L ₁ por meio da otimização da posição de fase linear (mostrado em cinza claro) e da posição XY da montagem da lente (não mostrado na figura). A saída da fibra é acoplado ao dispositivo de medição espectral com L ₂ optimizado por uma fase linear. Os estágios motorizados (mostrado em cinza escuro) puxar a fibra longe do aquecedor central e parar quando o valor da medição espectral é maximizada.

Figura 2. Alumínio Aquecedor do bloco. O bloco aquecedork é ~ 6 mm de espessura, com dois furos de 4 mm (um para a fibra e uma para monitorizar a temperatura aproximada da fibra). Uma pequena abertura é cortada no bloco para permitir a inserção e remoção da fibra. O bloco é 2,54 centímetros de comprimento, que é apenas o suficiente para caber o elemento de aquecimento inteira dos aquecedores de cartucho. Um posto de cerâmica (anexado com um parafuso de 8/32 set) oferece isolamento térmico. O sensor RTD é colocada em contacto com o bloco de aquecimento e ao nível com um aquecedor de cartucho para proporcionar o loop de feedback rápido possível. A altura do bloco, e não uma dimensão importante, desde que haja espaço para os aquecedores de cartucho, furos de 4 mm para a fibra, e torneiras para montar o bloco aquecedor-é ~ 1,75 centímetros.

Figura 3. Espectro de SCG. Normalizada Os espectros de tele input (bomba) e de saída (SCG) são mostrados. A largura de banda de saída gerado é ~ 3 vezes maior do que a entrada em unidades de frequência a 40 dB abaixo do máximo. A imersão no espectro do produto em torno 4,2 mM corresponde a absorção de CO ₂ na atmosfera.

Figura 4. As imagens de SEM afilado As ₂ S ₃ Fibra. Exemplos do afunilada As ₂ S ₃ fibras são mostradas (a) e (b) (propositadamente quebrado após redução para imagem MEV). (A) A imagem SEM de uma Como _2S em ₃ de fibra cónica aproximadamente ao diâmetro óptimo para a SCG, ~ 2,3 uM. (b) uma imagem SEM de uma As ₂ S ₃ fibra afilada demonstra o menor diâmetro cónico criada com o conjuntoup, ~ 760 nm.

Figura 5. Sinal espectral Medição vs Puxando Length. A potência de saída normalizada após o monocromador, definir estacionária em 3,9 mM, é mostrado para um único experimento cone de fibra. A potência de saída começa a aumentar dramaticamente após ~ 17 mm de comprimento de puxar. O sinal máximo ocorre cerca de 18 mm de comprimento de puxar, o que corresponde a um diâmetro de fibra de ~ 2,3 mM. As fases motorizadas foram paradas logo após este pico foi atingido.

Demonstrámos a novel procedimento afilamento fibra e verificada a sua validade efectuando SCG em meados da década de IR. Para o melhor de nosso conhecimento, o método alternativo para essa aplicação se baseia na determinação do comprimento puxando fibra necessário para criar um diâmetro da fibra cônico que acrescenta bastante dispersão de guia de onda para otimizar SCG no cone de fibra através de cálculo, no entanto, uma vez que o comprimento puxando necessário para maximizar o alargamento espectral para um determinado comprimento de fibra varia para cada experiência, este valor calculado é apenas uma aproximação. O método alternativo requer então afunila de fibra a ser criadas e testadas uma após a outra, até uma inclinação desejado seja encontrado. Ao ser capaz de monitorizar o perfil espectral do SCG e usá-lo como o critério para parar o processo de afunilamento, que optimizaram a saída de um único cone de fibra para atingir um substancial alargamento do cone curto. Isso reduz muito o custo eo tempo necessários para gêneroste um cone de fibra útil.

A falha mais comum é a ruptura da fibra, durante o processo de afunilamento. Quebras são geralmente causados ​​pela configuração indevidamente a temperatura do bloco de aquecimento. Se a temperatura for muito baixa, a fibra vai quebrar devido à alta tensão. Se a temperatura for demasiado elevada, a cristalização da superfície ^29, o que gera fissuras na superfície da fibra, que se propagam facilmente sob tensão, pode produzir uma quebra na fibra. Dos dois, o modo mais comum de falha foi sobreaquecimento da fibra, geralmente a partir de não colocar o sensor RTD na posição correcta. A ruptura de fibra é facilmente detectável como o sinal de medição espectral vai cair de repente no chão ruído.

Outras melhorias para a configuração são possíveis. Por exemplo, a fixação permanente do sensor RTD para o bloco aquecedor permitirá uma redução gradual de temperatura mais repetível, eliminando o modo mais comum de falha. Além disso, remOving umidade a partir da configuração afinando, purgando a configuração com N seca ₂ pode ajudar a evitar quebras durante afinando. A remoção de um cone de fibra sucesso foi conseguido, mas um procedimento reprodutível não foi ainda desenvolvida. Como o revestimento _{2 3} S da fibra com um, protecção, baixo índice de espessura, baixa perda, material de revestimento poderia melhorar a estabilidade mecânica da fibra e para permitir uma manipulação mais fácil da fibra cónica. Usando métodos alternativos para a monitorização do espectro, como o uso de um filtro de passagem de comprimento de onda longa, que transmite no lado de comprimento de onda longo da fonte de bomba, poderia simplificar o esquema de detecção. Há várias modificações opcionais que podem ser capazes de se expandir a utilidade do actual configuração afilada in situ. As dimensões do bloco aquecedor de alumínio pode ser alterada para mudar o comprimento da região cónica. Afilamento dinâmico, que consiste em deslocar o elemento de aquecimento em relação ao das fibras durante o coneção (chama escovar) e / ou movendo as etapas em diferentes velocidades, também pode ser feito com a monitorização in situ. Isto permitiria a diferentes perfis de fibras cónicos para ser criado. A dispersão total experimentada pela fonte bomba dependeria então o perfil criado. Além disso, a substituição do elemento de aquecimento com um aquecedor de alta temperatura iria permitir fibras com pontos de fusão mais elevados ser afunilada.

Embora ainda não tenha demonstrado, a técnica de afilamento fibra in situ pode ser aplicada a outros dispositivos baseados em fibras que são produzidas através de fibra afilamento. Ligeira afilamento em MOF pode afinar a dispersão da fibra para a SCG eficiente. ¹⁰ Usando uma fonte de banda larga que cobre a banda passante de uma MOF (talvez uma fonte baseada SCG), a banda de passagem, que escalas com o tamanho da dimensão microstructuring, pode ser azul-deslocada usando fibra in-situ afinando. ¹¹ Além disso, uma fonte de banda larga pode ser-nosed para caracterizar os componentes de fibra, tais como acopladores de fibra ¹² e ¹³ WDMS, fabricada através de fibra afilada durante a produção para melhor satisfazer as especificações. fibra in situ afilamento pode ser adaptado para optimizar os resultados da maior parte das experiências de fibra cónica.

A patente dos Estados Unidos provisório foi apresentado proteger a tecnologia divulgada neste artigo.

Os autores gostariam de agradecer G. Shambat, C. Phillips, K. Aghaei para discussões inestimáveis, F. Afshinmanesh para SEM imagens, T. Marvdashti de apoio experimental, e MF Churbanov e GE Snopatin do Instituto de Química de alta pureza Substâncias e VG Plotnichenko e EM Dianov do Centro de Pesquisa de Fibra Óptica da Academia de Ciências da Rússia para fornecer o As ₂ S ₃ fibra. Agradecemos também o apoio do Escritório de Pesquisa Naval, NASA, o Instituto de Investigação Científica, Agilent, eo Technologies Escritório Conjunto da Força Aérea.