[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出了一种利用高通量同步辐射X射线并结合纳米级金/硅光栅调制，以在光纤中诱导折射率变化，从而制造纳米尺度光纤布拉格光栅（FBGs）的新方法。在高级光子源（APS）进行的初步实验展示了有希望的结果，验证了基于X射线的FBG写入技术的可行性，该技术在高精度、长距离传感和数据通信应用方面具有潜力。

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.

研究动机与目标

• 为解决在先进光学应用中制造高精度、纳米尺度光纤布拉格光栅（FBGs）的挑战。
• 开发一种替代传统紫外（UV）基FBG写入方法的制造工艺，尤其针对复杂或对辐射敏感的光纤。
• 探索利用高通量同步辐射X射线诱导光纤中可控折射率调制的可行性。
• 展示基于纳米尺度金/硅光栅的X射线光刻技术在可扩展且高精度FBG制造中的潜力。
• 在同步辐射设施中通过原型光纤样品的实验验证该方法。

提出的方法

• 以高通量同步辐射X射线作为主要写入源，照射光学纤维。
• 采用具有高深宽比的纳米级金/硅（Au/Si）光栅作为掩模，对X射线强度进行空间调制。
• 调制后的X射线通量通过辐射诱导的结构变化，在光纤纤芯中引起局部折射率变化。
• 纳米级Au/Si光栅在阿贡国家实验室的纳米材料中心（CNM）制备。
• X射线写入过程在阿贡国家实验室（ANL）的先进光子源（APS）进行，利用其高亮度X射线束线。
• 该方法依赖于Au/Si光栅对X射线的差异性吸收和散射特性，在光纤中形成周期性折射率扰动。

实验结果

研究问题

• RQ1 高通量同步辐射X射线能否有效用于实现纳米尺度精度的光纤布拉格光栅写入？
• RQ2 纳米级Au/Si光栅掩模在多大程度上能够实现对X射线强度的可控调制，以在光纤中产生周期性折射率变化？
• RQ3 与传统的紫外基方法相比，基于X射线的FBG写入在可行性与效率方面如何？
• RQ4 X射线写入工艺能否产生具有稳定且可测量的布拉格波长特性的FBGs，适用于传感和通信？
• RQ5 影响X射线写入FBGs中折射率对比度和光栅质量的关键参数有哪些？

主要发现

• 在先进光子源（APS）进行的初步实验成功验证了X射线写入光纤布拉格光栅的可行性。
• 通过纳米级Au/Si光栅掩模的X射线辐照，实现了在光学纤维纤芯中的局部折射率调制。
• 所制备的FBGs表现出可测量且稳定的布拉格波长特性，表明光栅成功形成。
• 高通量同步辐射X射线实现了精确且可控的曝光，具有实现亚微米分辨率的潜力。
• 在CNM成功制备了具有高深宽比的纳米级Au/Si光栅，实现了有效的X射线调制。
• 结果表明，X射线写入是一种可行的FBG制造替代方案，尤其适用于需要高精度或抗辐射能力的应用。