[論文レビュー] X-ray Writing of Fiber Bragg Gratings (FBGs)

Shaolin Liao|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2020

Photonic and Optical Devices参考文献 9被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、ナノスケールの金/シリコングレーティングを用いて高フラックスなシンクロトロンX線を変調することで、光ファイバー内の屈折率変化を誘発し、ナノスケールのファイバー・ブレグ・グレーティング（FBG）を製造する新しい手法を提案している。アドバンスド・フォトン・ソースでの予備実験により、高い精度と長距離センシングおよびデータ通信応用を想定したX線ベースのFBG作成の実現可能性が検証され、有望な結果が得られた。

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.

研究の動機と目的

• 高度な光通信応用向けに、高精度でナノスケールのファイバー・ブレグ・グレーティング（FBG）を製造する課題に対処すること。
• 特に複雑な構造や放射線に感受性の高いファイバーに対して、従来のUVベースのFBG作成法に起因する制限を克服する代替製造法を開発すること。
• 高フラックスなシンクロトロンX線を用いて、光ファイバー内の屈折率を制御可能に変調する方法の実現可能性を検討すること。
• ナノスケールの金/シリコングレーティングを用いたX線リソグラフィーが、スケーラブルかつ高精度なFBG製造に適しているかを検証すること。
• アドバンスド・フォトン・ソース（APS）の施設で、プロトタイプのファイバー試料を用いて、実験的にこの手法の妥当性を検証すること。

提案手法

• 光ファイバーを照射する主なライティング源として、高フラックスなシンクロトロンX線を用いる。
• X線強度を空間的に変調するため、高アスペクト比のナノスケールの金/シリコン（Au/Si）グレーティングをマスクとして採用する。
• 変調されたX線フラックスが、放射線誘発構造変化を通じて、光ファイバー芯部の局所的屈折率変化を誘発する。
• ナノスケールのAu/Siグレーティングは、アーガン国立研究所のナノスケール材料センター（CNM）で製造された。
• X線ライティングプロセスは、高輝度X線ビームラインを活用するアドバンスド・フォトン・ソース（APS）で実施された。
• この手法は、Au/SiグレーティングのX線吸収および散乱特性の差異に依存し、ファイバー内に周期的な屈折率のゆらぎを生成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高フラックスなシンクロトロンX線を用いて、ナノスケールの精度でファイバー・ブレグ・グレーティングを効果的に作成できるか？
• RQ2 ナノスケールのAu/Siグレーティングマスクが、光ファイバー内の周期的屈折率変化を実現するためのX線強度をどれほど制御的に変調できるか？
• RQ3 従来のUVベースの手法と比較して、X線ベースのFBG作成の実現可能性と効率性はどの程度か？
• RQ4 X線ライティングプロセスが、センシングおよび通信用途に適した安定的かつ測定可能なブレッグ波長特性を持つFBGを生成できるか？
• RQ5 X線ライティングFBGにおける屈折率対比およびグレーティング品質に影響を与える主要なパラメータは何か？

主な発見

• アドバンスド・フォトン・ソースでの予備実験により、X線ライティングによるファイバー・ブレグ・グレーティング作成の実現可能性が明確に示された。
• ナノスケールのAu/Siグレーティングマスクを介したX線照射により、光ファイバー芯部における局所的屈折率変調が達成された。
• 作成されたFBGは測定可能で安定したブレッグ波長特性を示し、正常なグレーティング形成が確認された。
• 高フラックスなシンクロトロンX線の使用により、高精度で制御可能な露光が可能であり、1μm未満の解像度の可能性を示した。
• 高アスペクト比を持つナノスケールのAu/SiグレーティングはCNMで正常に製造され、効果的なX線変調が実現した。
• 結果から、X線ライティングは、高精度を要する応用や放射線耐性が求められる分野において、FBG製造の代替手段として有効である可能性が示された。