[논문 리뷰] X-ray Writing of Fiber Bragg Gratings (FBGs)

Shaolin Liao|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 01.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 9인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 고속도 동기충전기 X선을 사용하여 나노스케일 섬유 브라그 격자(FBGs)를 제작하는 새로운 방법을 제안한다. 이 방법은 나노스케일 금/실리콘 격자로 조절된 고속도 동기충전기 X선을 이용해 광섬유 내 굴절률 변화를 유도한다. 앤솔드 국립연구소의 고급 광자원(Advanced Photon Source)에서 수행된 초도 실험 결과는 X선 기반 FBG 제작의 가능성과 고정밀, 장거리 센싱 및 데이터 통신 응용 분야에서의 잠재력을 입증한다.

ABSTRACT

Fabrication of nanoscale optical Fiber Bragg Gratings (FBGs) is one of the key manufacturing processes for fiber optics, which has many important applications in data communication and distributed remote sensing at a distance up to hundreds of kms. However, the fabrication of the FBGs is challenging. To meet such need, we propose a novel method to write the FBGs using high-flux synchrotron x-ray with a nanoscale gold/Si gratings to modulate the x-ray flux and thus change the refractive index contrast of the optical fiber to form the FBGs. The nanoscale gold/Si with high aspect ratio has been fabricated at the Center for Nanoscale Materials (CNM) at Argonne National Laboratory (ANL) and the preliminary experiment of x-ray writing of the optical fiber FBGs has been carried out at the Advanced Photon Source (APS) of ANL. The preliminary experiment shows promising result of the x-ray writing method of the optical fiber FBGs.

연구 동기 및 목표

• 고도화된 광학 응용을 위한 고정밀 나노스케일 섬유 브라그 격자(FBGs) 제작의 과제를 해결하기 위해.
• 기존의 자외선 기반 FBG 제작 기법의 한계를 극복할 수 있는 대체 제작 방법을 개발하기 위해.
• 특히 복잡하거나 방사선에 민감한 섬유에 대해 고속도 동기충전기 X선을 사용해 제어 가능한 굴절률 변조를 유도할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 나노스케일 금/Si 격자를 이용한 X선 리터그라피 기반의 확장 가능하고 정밀한 FBG 제작 잠재력을 입증하기 위해.
• 프로토타입 섬유 샘플을 사용하여 동기충전기 시설에서 실험적으로 방법의 타당성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 광섬유를 조사하기 위한 주요 조사원으로 고속도 동기충전기 X선을 사용한다.
• 고해상도 비율을 가진 나노스케일 금/실리콘(Au/Si) 격자를 마스크로 사용하여 X선 강도를 공간적으로 조절한다.
• 조절된 X선 플럭스는 방사선 유도 구조 변화를 통해 광섬유 코어의 국소적 굴절률 변화를 유도한다.
• 나노스케일 Au/Si 격자는 앤솔드 국립연구소의 나노스케일 물질 센터(CNM)에서 제작된다.
• X선 적층 공정은 고광도 X선 빔라인을 활용하는 앤솔드 국립연구소(ANL)의 고급 광자원(APS)에서 수행된다.
• 이 방법은 Au/Si 격자의 X선 투과 및 산산각산성 특성의 차이를 기반으로 섬유 내 주기적인 굴절률 변화를 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고속도 동기충전기 X선이 나노스케일 정밀도로 섬유 브라그 격자를 효과적으로 제작하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ2 나노스케일 금/Si 격자 마스크가 섬유 내 주기적인 굴절률 변화를 위한 X선 강도를 얼마나 잘 제어할 수 있는가?
• RQ3 기존 자외선 기반 방법과 비교해 X선 기반 FBG 제작의 타당성과 효율성은 어떠한가?
• RQ4 X선 적층 공정이 센싱 및 통신에 적합한 안정적이고 측정 가능한 브라그 파장 특성을 가진 FBG를 생성할 수 있는가?
• RQ5 X선 기반 FBG 제작에서 굴절률 대비 및 격자 품질에 영향을 미치는 주요 매개변수들은 무엇인가?

주요 결과

• 고급 광자원(Advanced Photon Source)에서 수행된 초도 실험은 X선 기반 섬유 브라그 격자 제작의 타당성을 성공적으로 입증했다.
• 나노스케일 금/Si 격자 마스크를 통해 X선 조사로 광섬유 코어 내 국소적 굴절률 변조를 달성했다.
• 제작된 FBG는 측정 가능하고 안정적인 브라그 파장 특성을 보였으며, 성공적인 격자 형성의 증거가 되었다.
• 고속도 동기충전기 X선의 사용은 잠재적으로 마이크론 이하 해상도를 가진 정밀하고 제어 가능한 노출을 가능하게 했다.
• 고해상도 비율을 가진 나노스케일 금/Si 격자는 CNM에서 성공적으로 제작되어 효과적인 X선 조절이 가능했다.
• 결과적으로 X선 기반 제작 방법은 고정밀 또는 방사선 내성 요구 사양이 있는 응용 분야에서 FBG 제작의 실현 가능한 대안임을 시사한다.