[논문 리뷰] Hollow-core fibers with reduced surface roughness and ultralow loss in the short-wavelength range

Jonas H. Osório, Foued Amrani외 10명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 22.

Photonic Crystal and Fiber Optics참고 문헌 31인용 수 84

한 줄 요약

이 논문은 도움이 되는 반대 방향의 기체 유량을 도체 중에 적용함으로써 핵 표면 거칠기를 감소시켜 표면 산산이 흩어지는 손실을 크게 낮추는 새로운 제조 기술을 제시한다. 이 방법은 표면 거칠기의 제곱근 평균 제곱(RMS)을 0.40 nm에서 0.15 nm로 감소시켜, 290 nm에서 50 dB/km, 369 nm에서 9.7 dB/km, 가시광선 영역에서 2 dB/km 이하의 기록적인 초저손실을 달성한다. 이는 자외선 및 가시광선 영역에서 실리카 핵 섬유의 한계를 뛰어넘는 성과이다.

ABSTRACT

While optical fibers display excellent performances in the infrared, visible and ultraviolet ranges remain poorly addressed by them. Obtaining better fibers for the short-wavelength range has been restricted, in all fiber optics, by scattering processes. In hollow-core fibers, the scattering loss arises from the core roughness and represents the limiting factor in reducing their loss regardless of the fiber cladding confinement power. To attain fibers performing at short wavelengths, it is paramount developing means to minimize the height variations on the fiber microstructure boundaries. Here, we report on the reduction of the core surface roughness of hollow-core fibers by modifying their fabrication technique. In the novel process proposed herein, counter directional gas fluxes are applied within the fiber holes during fabrication to attain an increased shear rate on its microstructure. The effect of the process on the surface roughness has been quantified by optical profilometry and the results showed that the root-mean-square surface roughness has been reduced from 0.40 nm to 0.15 nm. The improvement in the fiber core surface quality entailed fibers with ultralow loss in the short-wavelength range. We report on fibers with record loss values as low as 50 dB/km at 290 nm, 9.7 dB/km at 369 nm, 5.0 dB/km at 480 nm, and 1.8 dB/km at 719 nm. The results reveal this new approach as a promising path for the development of hollow-core fibers guiding at short wavelengths with loss that can potentially be orders of magnitude lower than the ones achievable with their silica-core counterparts.

연구 동기 및 목표

• 단파장 작동을 위한 허브 코어 섬유에서 표면 거칠기로 인한 산산이 흩어지는 손실이라는 근본적 한계를 해결하기 위해.
• 현재 HCPCF에서의 기준으로 여겨지는 0.40 nm 이하의 핵 표면 거칠기를 감소시키는 제조 방법을 개발하기 위해.
• 표면 산산이 흩어지는 손실을 최소화하여 자외선 및 가시광선 스펙트럼 영역에서 초저손실을 달성하기 위해.
• 복잡한 클래딩 설계 없이도 단순한 SR-TL HCPCF 구조가 기록적인 저손실 성능을 달성할 수 있음을 입증하기 위해.
• 향후 고성능 HCPCF에 적용 가능한 확장 가능하고 공정 기반의 표면 매끄러움 기법을 수립하기 위해.

제안 방법

• 새로운 제조 공정은 도체 중에 반대 방향의 기체 유량을 적용하여 실리카 막에 대한 비율을 증가시킨다.
• 열적 표면파동을 억제하기 위해 비율 유동을 사용하여, 이는 유리 전이 온도에서 고정된 표면 거칠기로 굳어지는 것을 방지한다.
• 표면 높이 프로파일 측정 및 제곱근 평균 제곱(RMS) 거칠기 계산을 위해 광학적 프로파일링 기법을 사용한다.
• 원자력 현미경(AFM)을 사용하여 나노스케일 해상도에서 고주파 표면 질감을 검증한다.
• 400 nm 이상 파장에서는 슈퍼컨티뉴움 램프, 400 nm 이하 파장에서는 플라즈마 램프를 사용하여 손실 측정을 수행한다.
• 프로파일링에서 불필요한 반사 현상을 제거하기 위해 인덱스 매칭 액체를 클래딩 튜브에 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 도체 중에 반대 방향의 기체 유량을 적용함으로써 허브 코어 섬유의 표면 거칠기를 감소시킬 수 있는가?
• RQ2 감소된 표면 거칠기는 자외선 및 가시광선 영역에서 산산이 흩어지는 손실을 어느 정도 낮출 수 있는가?
• RQ3 SR-TL HCPCF는 복잡한 클래딩 설계 없이도 자외선 영역에서 초저손실을 달성할 수 있는가?
• RQ4 기존 기법 대비 새로운 제조 방법을 사용했을 때 표면 거칠기 및 손실 성능에서의 정량적 향상 정도는 어떠한가?
• RQ5 표면 거칠기 감소가 250–400 nm 범위에서 손실 값이 10 dB/km 이하로 떨어지도록 충분한가?

주요 결과

• 반대 방향 기체 유량 기법을 사용함으로써 허브 코어 섬유의 제곱근 평균 제곱 표면 거칠기를 0.40 nm에서 0.15 nm로 감소시켰다.
• 섬유 A는 290 nm에서 50 dB/km의 기록적인 손실을 달성하였으며, 이는 깊은 자외선 영역에서 보고된 바 있는 어떤 섬제도 이례적인 수준이다.
• 섬유 B는 719 nm에서 1.8 dB/km, 558 nm에서 0.9 dB/km의 손실을 기록하여 가시광선 영역에서 2 dB/km 이하 성능을 입증하였다.
• 두 섬유의 측정된 손실 값은 실리카 레일리 산산이 흩어지는 손실 한계(SRSL) 이하에 위치해 있어 근본적인 성능 향상임을 시사한다.
• 손실 향상은 표면 산산이 흩어지는 손실(SSL) 감소로 직접 기인하며, 이는 표면 거칠기의 제곱에 비례한다.
• 결과는 표면 거칠기가 단파장 HCPCF에서 주요 손실 메커니즘이며, 공정 공학을 통해 효과적으로 완화될 수 있음을 확인한다.