Summary
我们开发和表征无序的聚合物光纤，采用横向安德森本地化作为一种新型的波导机制。这种微结构光纤可输送一个小的局部光束，这是与传统的光学纤维的光束半径的半径。
Abstract
我们开发和表征无序的聚合物光纤，采用横向安德森本地化作为一种新型的波导机制。所开发的聚合物光纤组成的80000链的聚（甲基丙烯酸甲酯）甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚苯乙烯（PS），随机混合并绘制成正方形横截面的侧宽度为250μm的光纤。最初，每一条链的直径为200μm，长8英寸。在混合过程中的原纤维原丝，纤维相互交叉，但是，一个大的拉伸比保证沿其长度为几十厘米的纤维的折射率分布是不变的。大折射率差为0.1，在本地化的光束半径小，是比较传统的光学纤维束半径之间的无序网站的结果。输入光从一个标准的单模光纤使用对接耦合方法和似地的推出使用40倍物镜和CCD照相机成像的r字段的输出光束从无序纤维。输出光束直径从数值模拟结果与预期一致。在这项工作中提出的无序光纤是第一种器件级实现二维安德森本地化，并可能会被用于图像运输和短途光通信系统。
Introduction
PW安德森1中的理论工作的，它表明，在量子电子系统紊乱的存在下，扩散过程停止和局域电子态的发展。安德森本地化是一个波的现象，也可能发生如光的经典波。光学2,3安德森本地化的理论预测以来，已经有许多的努力实现这一实验现象与电磁波4,5。然而，它一直是非常困难的，因为光的散射截面往往太小，由于对比度低折射率光学材料，以实现强大的本地化。在1989年，德Raedt 等[6]表明，这是可能的观察安德森本地化的一个准二维无序与低折射率对比的光学系统。他们发现，如果这种疾病被限制在一个道具的横向平面的纵向不变介质agating波，光束可以保持密闭较强的横向散射，由于在横向方向上的一个小区域。横向安德森局域第一次观察到的干涉条纹，光折射晶体7所建立的二维波导。熔融二氧化硅的其它介质，已被用于横向安德森本地化8,9无序波导用飞秒脉冲沿样品的观察。在上面提到的系统的无序网站折射率差为10 -4的顺序，所以本地化半径是相当大的。此外，典型的波导通常不超过几厘米长，因此，他们可能是不实际的导波应用。我们指出，在一个一维无序波导的横向观察Anderson局域此前有报道称在ReF 10。
这里开发的光纤安德森局域横向比上年变卖导波应用11,12有几个优点。首先，大的折射率差为0.1的查询结果在一个小的可比较的常规的光纤的光束半径的本地化束的纤维之间的障碍的网站。第二，该聚合物可制成无序光纤更长的时间比写入到外部光折变晶体或熔融石英无序波导。我们可以观察到横向安德森定位在一个60厘米长的纤维11。三，聚合物光纤无序是灵活的，让在实际的现实世界的设备级的应用程序依赖于运输光波纤维13。
为了制造混乱的光纤，PMMA及40,000股，40,000股，PS随机混合，其中每一个STR8英寸长，直径为250微米。的随机混合的股线被组装成一个正方形的横截面的预成型体的侧宽度约2.5英寸。预成型体，然后绘制一个正方形的光纤约250μm（ 图1）的一侧的宽度。为了随机混合的原纤维束，我们铺一层PMMA纤维束一张大桌子上，加了一层PS纤维束，然后随机混合在一起。重复该过程多次，直至得到良好的随机混合物。
我们使用的扫描型电子显微镜（SEM）图像的无序的聚合物光纤的折射率分布。正常裂解技术，如使用急剧加热叶片不能被用于制备纤维样品的扫描电镜成像的映射它的折射率分布的光纤末端，因为刀片损坏的纤维端部的形态。抛光的纤维，具有类似的不利影响在thê的光纤端面质量。为了准备高品质的样品的扫描电镜成像，我们淹没每根纤维在液氮几分钟，然后打破了光纤;如果做足够的纤维样品，此方法会导致几个不错的纤维片（约15％的成功率率），扫描电镜成像具有非常高的质量和流畅的端面。然后，我们用70％乙醇溶液在60℃下约3分钟，以溶解PMMA后的纤维端部的网站;更长的曝光时间可以瓦解整个的纤维端部。我们再涂上金/钯的样品，并把他们安置在扫描电镜室。 图2所示的放大的SEM图像紊乱的聚合物光纤。浅灰色的站点是PS和黑暗的网站是聚甲基丙烯酸甲酯。图像的总宽度为24微米，在此图像中的最小特征尺寸〜0.9微米，为单个网站的纤维线的大小相对应，后的拉伸过程中。
为了规律研究较早的无序光纤的波导特性，我们使用了在633 nm波长的He-Ne激光。 He-Ne激光被耦合到单模光纤的模场直径约4μm，然后将其对接耦合到无序的聚合物光纤，使用了高精度的电动载物台SMF630hp。然后将输出成像CCD相机光束分析仪使用40X的目标。
在第一组实验中，我们选择了20种不同的紊乱的纤维样品，每5厘米长，5厘米的长度的选择，以配合在数值模拟中的传播长度。数值模拟无序纤维一般都非常耗时，即使是在高性能计算集群有1,100元素。全横向安德森本地化的波长为633 nm仅约2.5厘米的传播11,12后发生，因此，我们决定，5厘米的长度足以满足我们的目的。由于STOC安德森局域hastic性质，我们需要重复实验和模拟100变卖，为了搜集足够的统计数据进行比较实验和数值平均光束直径。在实践中，有100个不同的测量是通过以下方式获得五个空间上分开的各20种不同的紊乱纤维样品的测量。
与玻璃光纤相比，这是相当难以制备无序聚合物进行测量的光纤。例如，一个不能使用先进的裂解和抛光工具和技术，以及开发基于标准硅纤维。阿卜迪等高雅的聚合物光纤切割和抛光程序已14，我们有一些小的修改，准备用他们的方法，我们的纤维样品。为了裂解的聚合物无序光纤，弯曲的X-雅图刀片加热到65℃C和纤维37°C。纤维的前端对准的切割表面上可以，让一个干净的，垂直切割。该刀片被放置在纤维的一侧，并迅速滚过。整个裂解过程中，应尽可能快地完成，以确保在叶片的温度和纤维不发生很大变化。裂解后的纤维，并在光学显微镜下检查，光纤端面进行研磨，使用标准光纤包片（0.3微米Thorlabs公司LFG03P氧化铝抛光皮），以确保任何轻微的缺陷被删除。要研磨的光纤端部，它被保持在一对镊子相差约1.5毫米的纤维端面被抛光用镊子。该纤维是在纸张上绘制一英寸长的图8字形的路径，大约8倍。在光学显微镜下检查，结果在平滑的边缘抛光纤维。此外，抛光便于正确耦合到一个位置lized点中的纤维，这反过来又降低了本地化点之前形成在耦合，并在最初的传播距离的衰减。
我们使用了CCD相机图像的输出光束强度的光束分析仪。近场强度分布，使用40X目标捕获。 ，以便找到的纤维的边界，饱和的CCD由增加输入光从SMF630hp纤维的力量。在我们检测本地化光束的强度分布的边界，设置CCD光束分析仪，自动曝光选项。我们使用的图像的强度分布图，以计算有效光束半径。为了消除环境噪声的影响，我们校准的图像处理方法，以确保得到预期的光束直径的SMF630hp纤维。平均测量值围绕平均值同意光束半径及其变化以及与努梅rical模拟所示，在参考文献11。输出光束分布在聚合物纤维明显改变入射光束的位置如下所示的文献。11,12,13。
如无序网站本地化束光束半径的大小和入射光波长的设计参数的影响，提出了一个全面的研究，在参考文献12,15。
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Protocol
1。制造一个无序的聚合物光纤
- 约200 PMMA链桌子上的传播和蔓延PMMA上相同数量的PS链。混合和重新包装链。重复此过程，直到40,000股40,000股，PS PMMA随机混合。
- 随机混合股组装成一个正方形预制棒侧宽度约2.5英寸。
- 绘制成直径为250μm的光纤预制棒。预制棒绘制在范式光学公司使用他们的标准程序16。
2。成像无序光纤的折射率分布
- 使用诸如ABT拓普康图像将所得的光纤的折射率分布的SEM。
- 淹没的聚合物光学纤维样品在液氮中约10分钟，然后打破了一半。
- 浸没在乙醇中的样品的破碎提示。柯EP该溶液在约65℃的温度样品留在溶液中约3分钟，直至乙醇溶解在纤维聚甲基丙烯酸甲酯的网站。
- 大衣每个样品与10纳米厚的金/钯放样品室的SEM。
3。准备纤维样品光学特性
- 准备5厘米长的纤维样品。
- 弯曲的刀片加热到65°C，纤维到37℃。使用合适的温度，可以防止纤维笔尖，可以发生在裂解过程中的变形。
- 的前端对准的切割表面上的纤维，可以使一个干净的，垂直于切割。将刀片的一侧的纤维，然后迅速地滚过。
- 检查使用光学显微镜，以确保纤维笔尖垂直切割的纤维侧的纤维笔尖。的刀片保持在裂解过程中的一个合适的角度，以防止倾斜次E提示。
- 使用Thorlabs公司的LFG03P氧化铝抛光纸（0.3微米），如抛光纸来擦亮纤维样品。要研磨的纤维端部，使其保持在一副镊子，镊子夹持纤维的约1.5毫米相差的脸被抛光。画在纸上的一英寸长的图8字形的路径，大约8倍的纤维。图8字形路径确保，全程小费抛光。
4。在纤维样品测量光束传播光束的档案
- 夫妇He-Ne激光使用20X物镜和两个平面镜成SMF630hp纤维。将阶段的平面镜上有两个自由度。将上一阶段的目标具有三个自由度。最初的SMF光纤保持一个8毫米的距离，远离客观小费。使用在镜面上的旋钮的持有者和客观的持有人，照射的激光的光纤的前端。将S的另一侧连接MF功率计。夫妇电源到SMF使用旋钮上镜持有人以及横向旋钮的客观持有人。耦合的效率可以显着增加通过使用纵向定位旋钮上的客观的持有人。耦合1毫瓦的功率是足够的测量。
- 夫妇的SMF630hp纤维聚合物光纤使用Thorlabs公司的MAX343机动阶段。电动载物台可以在三个笛卡尔方向移动。使用横向程度的自由，夫妇的SMF光纤的聚合物纤维笔尖的中心。使用阶段的纵向位移，将SMF光纤尽可能密切的聚合物纤维。一个较小的气隙之间的SMF和聚合物纤维减少光束的扩展。将整个的长度方向上设置的第二电动载物台移动。 4.4将描述的第二电动载物台用于成像。
- 使用光学米的icroscope和一个直角反射镜，监控的SMF和聚合物纤维的位置，以确保SMF的耦合的聚合物纤维的中心，两种纤维之间的气隙尽可能小。裂开或抛光过程中的聚合物纤维在聚合物中的纤维笔尖的尖端或变形，因为一个小的倾斜，可以限制SMF和聚合物纤维之间的最小空气间隙。一个小的纤维之间的空隙是必需的，因为SMF光纤应该是可以左右移动的聚合物纤维的尖端处。将SMF仅使耦合过程更容易的聚合物纤维的中心。在实验过程中，横向扫出来横跨尖端的聚合物纤维的聚合物纤维在不同的区域来观察本地化的SMF与入射光束。
- 使用CCD相机光束分析仪测量输出纤维使用40X的目标。首先，饱和CCD摄像机监视的聚合物纤维的边界。客观持有人使用上的旋钮，确保聚合物纤维边界可以观察到CCD上。
- 使用移动整个安装（详见4.2），纵向，确保图像在CCD上聚焦移动设置或对40X目标而CCD和客观固定的机动阶段。作为度量标准，用于聚焦，在CCD上成像的档案中应具有的最小尺寸的焦点。光束集中的图像不应该是视觉上的绕组。
- 在输入尖端移动的入射光束，测量输出光束强度不同的入射光束的位置。收集5个不同位置的入射光束的数据。 20纤维样品进行测量，共收集了100个不同的测量。
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Representative Results
抛光纤维的SEM图像示于图1。 SEM图像如图1所示，光纤头的大部分地区，抛光质量好。溶解在乙醇中的溶液中， 图2中 ，与它们的端部的纤维样品的SEM图像示出聚甲基丙烯酸甲酯在颜色灰度在黑暗和PS的网站的站点。在图2的SEM图像被放大，在24微米的纤维宽度。对于扫描电镜成像，对Au / Pd的10 nm厚的层都涂有纤维样品。
本实验中使用的测量设置， 如图3所示。 CCD光束分析仪测得的样品中，5厘米长的输出光束的强度， 如图4所示。强度分布表明，在横向方向上的无序纤维束本地化。为了形象，环境噪声强度分布校正选项的CCD c AMERA应该。然而，此选项可能不会完全有效。为了计算总的噪音水平在强度分布图像，我们还计算成像的SMF630hp纤维的强度分布和模场直径。对于一个选定的噪声电平，实验测量的模场直径与所报告的制造商的数据相匹配。噪声电平相同的值，需要将用于以图4。 100种不同强度分布测量本地化梁通过移动输入SMF630hp纤维与聚合物纤维在横向耦合的职位20个不同的样品一百束剖面测量平均值显示横向安德森局域无序光纤作为参考11。
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图1。抛光纤维面抛光纤维尖端的SEM图像。波兰语的质量是很好的纤维尖端大部分地区。
图2。折射率分布的无序聚合物光纤的折射率分布。 PMMA网站是在较暗的颜色和PS网站为浅灰色。图像的宽度为24微米。
图3。实验装置，实验装置测量。 CCD相机（A）和目标
图4。强度分布的强度分布传播的光束后5厘米传播。图像的宽度为250μm。
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Discussion
在光纤拉制过程中的折射率分布不保持恒定的一米以上的，一方面是因为跨接的原纤维线，还因为在拉伸过程中纤维直径的变化。我们预期更稳定的抽奖过程，将有助于制造光学纤维是不变的纤维长度较长，与这里相比。
在制备样品的扫描电镜成像的纤维尖端，我们需要确保样本一直保持在70％E thyl酒精溶液足够长的时间（约3分钟），并保持在合适的温度（65°C） 。如果样品保持在电子thyl醇溶液远远长于3分钟所需的最佳的PMMA层蚀刻掉，纤维端部可以瓦解。
对接耦合SMF630hp纤维的聚合物纤维，重要的是，入射纤维是尽可能地接近以避免大量的衍射光束扩展聚合物纤维才达到的无序的纤维。我们还需要使用折射率匹配液减少光的散射耦合。
我们应该注意到，移动整个无序光纤的端面入射场的位置改变本地化束的输出。聚合物纤维在不同的地区，我们观察到在本地化的光束半径的变化，预期安德森本地化的统计特性。在此变化中，也可以是由于抛光光纤端部的质量。抛光纤维的SEM图像显示，在所有地区的光纤端面抛光的质量是不一样的。由于这种限制，我们用最小的本地化点，我们可以找到每个实验的纤维端部对面，然后进行本地化点的最附近的剩余的测量。
ontent“>删除环境噪声是至关重要的本地化束光束半径计算，如果不拆除，周围的噪音可能会导致束探查图像的CCD光束半径计算错误，我们校准我们的分析确保我们获得正确的价值在633纳米波长的光束直径约4微米的SMF630hp纤维。参考11,12无损材料聚合物无序纤维光本地化的数值模拟显示的波能完全被局限在纤维的横向方向电源没有任何衰减。另一方面，在我们的纤维材料吸收相当大，光纤的衰减在0.5的水平 - 1.0 dB / cm的。我们预计损失大大降低基于二氧化硅的无序纤维。
在未来，我们预期改善无序纤维的损耗特性，通过改进制造公关ocedure（ 例如一个更稳定的抽奖程序），并使用损耗较低的组件。紊乱的理想光纤将被由玻璃组成的，随机的空气孔，在50％的比例。正如我们楼盘12所示，我们预计，在本地化束半径的变化，减少的两种材料的折射率差别较大。最近，我们提出了我们的第一个结果，在玻璃光纤与无序的空气孔位楼盘17和玻璃基无序纤维预见未来的进步。
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Disclosures
作者宣称，他们有没有竞争经济利益。
Acknowledgments
支持这项研究是由来自美国国家科学基金会的授权号码1029547。笔者想承认DJ韦尔克从范式光学公司提供初始纤维分部和重绘，最终光纤。作者也承认史蒂芬哈德卡斯尔和Heather A.欧文SEM成像。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| poly (methyl methacrylate) (PMMA) | |||
| polystyrene (PS) | |||
| 70% ethyl alcohol solution at 65 °C |
References
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