[논문 리뷰] Laser Nano-Filament Explosion for Enabling Open-Grating Sensing in Optical Fibre

Keivan Mahmoud Aghdami, Abdullah Rahnama외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 29.

Advanced Fiber Optic Sensors참고 문헌 65인용 수 38

한 줄 요약

이 논문은 실리카 광섬유의 클러치와 코어를 관통하는 고비율, 마이크로파스스러운 나노홀을 생성하기 위해 레이저 나노필라멘트 폭발 기술을 제시한다. 이는 강력하고 개방형 격자 구조를 가진 광섬유 브라그 격자(FBGs)를 가능하게 하며, 강력한 광학적 금속대를 형성한다. 피코초 레이저 필라멘테이션과 후속 화학 에칭을 조합함으로써, 높은 굴절률(Refractive Index, RI) 감도(최대 600 nm/RIU)를 가지며 날카럽게 분리된 p-시프트된 FBGs를 실현하였으며, 섬유를 얇게 가공하거나 손상시키지 않고도 나노홀을 통해 모세관 작용에 의해 액체 및 기체를 실시간으로 고해상도로 감지할 수 있다.

ABSTRACT

Embedding strong photonic stopbands into traditional optical fibre that can directly access and sense the outside environment is challenging, relying on tedious nanoprocessing steps that result in fragile thinned fibre. Ultrashort pulsed laser filaments have recently provided a non contact means of opening high aspect ratio nanoholes inside of bulk transparent glasses. This method has been extended here to optical fibre, resulting in high density arrays of laser filamented holes penetrating transversely through the silica cladding and guiding core to provide high refractive index contrast Bragg gratings in the telecommunication band. The point by point fabrication was combined with post-chemical etching to engineer strong photonic stopbands directly inside of the compact and flexible fibre. Fibre Bragg gratings with sharply resolved pi-shifts are presented for high resolution refractive index sensing from n = 1 to 1.67 as the nano-holes were readily wetted and filled with various solvents and oils through an intact fibre cladding.

연구 동기 및 목표

• 환경 감지에 적합한 고대비 광학적 금속대를 고체 코어 광섬유에 직접 비접촉식으로 통합하는 데 목적이 있다.
• 기계적 얇아짐 또는 클러치 제거가 필요 없는 기존 나노처리 섬유 센서의 취약성과 복잡성을 해결하기 위해, 섬유를 얇게 가공하거나 손상시키지 않는 방법을 개발하고자 한다.
• 섬유 코어 및 클러치에 개방형 모세관 접근 가능한 나노홀 배열을 형성함으로써 강력하고 조절 가능하며 고감도의 굴절률 감지 기능을 실현하고자 한다.
• 높은 해상도를 확보하기 위해 좁은 대역폭(<200 pm)을 가진 높은 품질 인자(Q ~ 10^4)의 p-시프트된 FBG 공진을 실현하고자 한다.

제안 방법

• aberration-correcting plate를 사용한 피코초 레이저 필라멘테이션을 통해 섬유 횡단면을 정밀하게 비접촉식으로 고비율 나노홀(지름 약 200 nm)을 뚫을 수 있다.
• 레이저 유도 나노폭발은 열영향을 최소화한 채로 고립된 관통홀을 형성하며, 섬유의 기계적 강성을 유지한다.
• 후속 화학 에칭(HF 산 사용)을 통해 나노홀 지름을 200 nm에서 700 nm로 제어적으로 증가시켜 광학 밴드 갭 공학을 실현한다.
• 주기적 배열로 나노홀을 형성(주기 Λ = 1.072 μm)하여 제2차 브라그 격자를 형성하고, 1550 nm 통신 대역에서 강력한 금속대 반응을 확보한다.
• 나노홀 배열에 p-시프트 결함을 도입하여 좁은 대역폭, 고 품질 인자(Q ~ 10^4)의 공진을 생성함으로써 감지 해상도를 향상시킨다.
• 모세관력에 의해 다양한 굴절률(n = 1.002 ~ 1.67)을 가진 액체가 자동으로 나노홀을 채우며, 실시간 옵티플루이딕 감지 기능을 실현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 피코초 레이저 필라멘테이션을 사용하여 클러치나 코어를 손상시키지 않고 고비율의 관통홀을 광섬유에 형성할 수 있는가?
• RQ2 레이저 필라멘테이션과 화학 에칭을 통해 형성된 나노홀 FBG에서 확보할 수 있는 최대 굴절률 감도는 얼마인가?
• RQ3 나노홀 배열에 p-시프트 결함을 포함시키면 FBG의 스펙트럼 반응 및 감지 해상도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 모세관 작용이 다양한 액체에 대해 자동으로 반복 가능한 방식으로 나노홀을 채우는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ5 레이저 나노필라멘트 기술과 화학 에칭의 조합이 실용적 감지 응용에 적합한 강력하고 기계적으로 안정된 FBG 및 강력한 광학적 금속대를 생성할 수 있는가?

주요 결과

• 레이저 나노필라멘트 폭발 기술은 표준 SMF-28 섬유의 클러치와 코어를 관통하는 200 nm 지름의 나노홀을 성공적으로 생성하였으며, 비율 약 500을 기록했고, 구조적 손상 없이 실현되었다.
• 화학 에칭은 초기 2분 지연 후에 100 nm/min의 속도로 나노홀 지름을 증가시켰으며, 광학 밴드 갭 공학의 조절 가능성을 제공하였다.
• 제작된 FBG는 고굴절률(n = 1.66) 및 큰 구멍 지름(700 nm) 조건에서 최대 600 nm/RIU의 굴절률 감도를 나타내었으며, 기존 FBG를 크게 초월하였다.
• p-시프트된 FBG는 100 pm(3 dB)의 대역폭을 확보하여 고품질 인자(Q ~ 10^4)를 나타내었으며, 고해상도 감지에 적합함을 입증하였다.
• 모세관 유동은 공기(n = 1.002)에서 오일(n = 1.670)까지의 액체를 수초 내로 완전히 젖히는 데 성공하였으며, 실시간 감지 기능을 실현하였다.
• 모의 및 실험 결과는 빠르게 굴절률 변화에 따라 이동하는 강력하고 스펙트럼적으로 좁은 금속대를 확인하였으며, 개방형 격자 설계의 고감도성과 내구성을 검증하였다.