Fremstilling og karakterisering af Disordered Polymer Optiske fibre til Tværgående Anderson lokalisering Light

Summary

Vi udvikler og karakterisere en uordnet polymer optisk fiber, der bruger tværgående Anderson lokalisering som en roman bølgelederstruktur mekanisme. Denne mikrostruktur fiber kan transportere en lille lokaliseret stråle med en radius, der er sammenlignelig med strålen radius af konventionelle optiske fibre.

Abstract

Vi udvikler og karakterisere en uordnet polymer optisk fiber, der bruger tværgående Anderson lokalisering som en roman bølgelederstruktur mekanisme. Den udviklede polymer optiske fiber består af 80.000 strenge af poly (methylmethacrylat) (PMMA) og polystyren (PS), der er tilfældigt blandet og trukket ind i et firkantet tværsnit optisk fiber med en side bredde på 250 um. I første omgang, hver streng er 200 um i diameter og 8-inches lang. Under blandingsprocessen af ​​de oprindelige fibertråde, krydser fibre over hinanden, men en stor trækforhold garanterer, at brydningsindeksprofilen er invariant langs længden af ​​fiberen til flere snese centimeter. Den store forskel i brydningsindeks på 0,1 mellem de uordnede sites resulterer i en lille lokal stråle radius, der er sammenlignelig med strålen radius af konventionelle optiske fibre. Indgangen lys er lanceret fra en standard single-mode optisk fiber ved hjælp af butt-koblingen metoden og near-field output stråle fra den uordnede fibre afbildes ved hjælp af en 40X objektiv og et CCD-kamera. Udgangen strålediameter stemmer godt med de forventede resultater fra de numeriske simuleringer. Den uordnede optiske fiber præsenteres i dette arbejde er den første enhed niveau implementering af 2D Anderson lokalisering, og kan potentielt bruges til billedet transport og korte distancer optiske kommunikationssystemer.

Introduction

I en teoretisk arbejde ved PW Anderson ^1, blev det vist, at i nærværelse af uorden i et kvante elektroniske system, diffusionsprocessen stopper og lokaliserede elektroniske tilstande udvikle sig. Anderson lokalisering er en bølge fænomen, kan også forekomme til klassiske bølger såsom lys. Da den teoretiske forudsigelse af Anderson lokalisering i optik ^2,3, har der været mange bestræbelser på at realisere dette fænomen eksperimentelt med elektromagnetiske bølger ^4,5. Imidlertid har det været meget vanskeligt at opnå en stærk lokalisering fordi de optiske spredning tværsnit er ofte for lille på grund af den lave brydningsindeks kontrast fleste optiske materialer. I 1989 viste De Raedt et al. ^6, at det er muligt at observere Anderson lokalisering i en kvasi-to-dimensionelle uordnede optisk system med lavt brydningsindeks kontraster. De viste, at hvis lidelse er begrænset til det tværgående plan en propagating bølge i en langsgående invariant medie, kan strålen være begrænset til et lille område i den tværgående retning på grund af stærk tværgående spredning. Tværgående Anderson lokalisering blev først observeret i to-dimensionelle bølgeledere, der blev oprettet ved hjælp af interferensmønstre i en foto-refraktiv krystal ^7.. Smeltet silica er det andet medium, der har været anvendt til observation af tværgående Anderson lokalisering ^8,9, hvor uordnede bølgeledere er skrevet ved hjælp femtosekund pulser langs prøven. Brydningsindekset forskel på uordnede steder i de ovennævnte systemer er af størrelsesordenen 10 ^-4, så lokalisering radius er ganske store. Derudover de typiske bølgeledere er normalt ikke længere end flere centimeter, og derfor kan de ikke være praktisk for guidet bølge applikationer. Vi gør opmærksom på, at observation af tværgående Anderson lokalisering i en endimensional uordnede waveguide blev rapporteret tidligere i ReF ^10.

Den optiske fiber udvikles her har flere fordele i forhold til tidligere erkendelser tværgående Anderson lokalisering for guided-robølgeanvendelser ^11,12. Først, den store brydningsindeks forskel på 0,1 mellem lidelse steder i fiber resulterer i en lille lokaliseret stråle sammenlignes med strålen radius af regelmæssige optiske fibre. For det andet kan polymeren uordnede optiske fiber gøres meget længere end de uordnede bølgeledere skrevet eksternt i fotorefraktive krystaller eller kvartsglas. Vi var i stand til at observere tværgående Anderson lokalisering i en 60 cm lang fiber ^11. For det tredje, polymer uordnede optiske fiber er fleksibel, hvilket gør det praktisk for virkelige verden device-niveau applikationer, der er afhængige af transport af lette bølger i fibre ^13.

For at fremstille den forstyrrede optiske fibre, 40.000 tråde PMMA og 40.000 strenge af PS var tilfældigt blandet, hvor hver strog var 8 inches lang og 250 um i diameter. De tilfældigt blandede strenge blev samlet til et kvadratisk tværsnit præform med en side-bredde på omkring 2,5 inches. Præformen blev derefter trukket til en firkantet optisk fiber med en side bredde på omkring 250 um (figur 1). For at tilfældigt blande de oprindelige fibertråde, vi sprede et lag af PMMA fiberstrenge på et stort bord, tilføjet et lag af PS fibertråde, og derefter tilfældigt blandet dem sammen. Proceduren blev gentaget mange gange, indtil en god tilfældig blanding blev opnået.

Vi anvendte en scanning elektron mikroskop (SEM) til billedet brydningsindeksprofilen af ​​den forstyrrede polymer optiske fiber. Regelmæssige spaltende teknikker såsom anvendelse af en skarp opvarmet kniv kan ikke anvendes til fremstilling fiberprøverne for SEM billeddannelse af fiberen ende at kortlægge dens brydningsindeksprofil, fordi bladet skader morfologi af fiberens ende. Polering fiberen har en lignende skadelig indvirkning på the kvaliteten af ​​fiberens ende. For at forberede høj kvalitet prøver til SEM billeddannelse, vi nedsænket hver fiber i flydende nitrogen i flere minutter, og derefter brød fiber, hvis det gøres på nok fiber prøver denne metode resulterer i et par gode fiber stykker (omkring 15% succes sats) med meget høj kvalitet og glat endeflader for SEM billeddannelse. Vi derefter brugt en 70% ethanolopløsning ved 60 ° C i ca 3 minutter for at opløse PMMA sites på fiberenden, længere eksponering kan opløse hele fiberende. Vi derefter belagt prøverne med Au / Pd og placeret dem i SEM kammeret. Den zoomet ind SEM-billede af den forstyrrede polymer optisk fiber er vist i figur 2.. De lysegrå steder er PS og de mørke steder er PMMA. Den totale bredde af billedet er 24 um, hvor de mindste ® størrelser i billedet er ~ 0.9 um, svarende til de enkelte stedet størrelser af fibertråde, efter lodtrækningen processen.

For at characteudenad bølgelederen egenskaber uordnede optiske fiber, vi brugte en He-Ne-laser ved 633 nm bølgelængde. He-Ne-laser er koblet til en single-mode SMF630hp optisk fiber med en mode field-diameter på omkring 4 um, som derefter butt-koblet til den forstyrrede polymer optisk fiber ved hjælp af en høj præcision motoriserede trin. Udgangen derpå afbildes på en CCD kamera stråle profiler ved hjælp af en 40X mål.

I det første sæt eksperimenter, valgte vi 20 forskellige uordnede fiberprøver, hver 5 cm lang, 5-cm længde blev valgt til at matche formering længde i vore numeriske simuleringer. De numeriske simuleringer af uordnede fibre er generelt meget tidskrævende, selv på en high performance computing cluster med 1.100 elementer. Den fulde tværgående Anderson lokalisering for bølgelængden på 633 nm sker kun efter ca 2,5 cm formering ^11,12, og derfor besluttede vi, at den 5-cm længde er tilstrækkelig til vores formål. På grund af den stochastic karakter Anderson lokalisering, vi havde brug for at gentage både eksperimenter og simuleringer for 100 erkendelser, for at indsamle tilstrækkelig statistik til at sammenligne de eksperimentelle og numeriske værdier af den gennemsnitlige stråle diameter. I praksis er 100 forskellige målinger opnået ved at tage fem rumligt adskilte målinger på hver af de 20 forskellige uordnede fibre prøver.

Det er temmelig svært at fremstille de uordnede optiske fibre af polymermateriale for målinger sammenlignet med optiske glasfibre. For eksempel kan man ikke bruge den avancerede spaltning og polering værktøjer og teknikker, der er godt udviklet til standard silica-baserede fibre. En raffineret procedure for kløvning og polering polymer optiske fibre er blevet rapporteret af Abdi m.fl. ^14,. Vi brugte deres metoder med nogle mindre ændringer for at forberede vores fiber prøver. For at spalte en polymer forstyrret optisk fiber, er en buet X-Acto kniv opvarmet til 65 °, C og fiberen til 37 ° C. Spidsen af ​​fiberen er justeret på en skæreflade, således at en ren, vinkelret snit kan foretages. Kniven er placeret på siden af ​​fiberen, og hurtigt rullet tværs. Hele spaltning processen bør ske så hurtigt som muligt for at sikre, at temperaturerne i bladet og fiber ikke ændre sig væsentligt. Efter spaltning af fiber og inspicere det under et optisk mikroskop, er fiberenden poleres ved hjælp af standard fiber lapning ark (0,3 um Thorlabs LFG03P Aluminum Oxide Polering Paper) for at sikre, at eventuelle mindre skønhedsfejl er fjernet. At polere fiber ende er det holdt i en pincet med pincet holder fiberen cirka 1,5 mm fra endefladen være poleret. Fiberen trækkes henover papiret i en tomme lang 8-tals-formede kurver, cirka otte gange. Polering fiber resulterer i glattere kanter inspiceret under den optiske mikroskop. Desuden polering letter ordentlig kobling til en LocaEgenproduktionen plet i fiberen, hvilket igen reducerer dæmpningen både i koblingen og også i den indledende formering afstand før den lokaliserede plet er dannet.

Vi brugte et CCD-kamera stråle profiler til billede output stråle intensitet. Den nær-området intensitet profil blev indfanget med et 40X mål. For at finde grænserne for fiberen, vi mættet CCD ved at øge styrken af ​​det indkommende lys fra SMF630hp fiber. Efter at detektere intensiteten profil lokaliserede stråle med hensyn til de grænser, sætter vi CCD stråle profiler til auto-eksponeringen mulighed. Vi brugte billedet af intensiteten profil for at beregne den effektive stråle radius. For at fjerne effekten af ​​den omgivende støj, vi kalibreret vores billedbehandling procedure for at sikre, at vi får den forventede stråle diameter SMF630hp fiber. Den gennemsnitlige målte værdi af strålen radius og dens variationer omkring den gennemsnitlige værdi stemmer godt med numerical simulationer, som vist i ref. ^11.. Outputtet stråle profil i polymerfiberen følger klart en ændring i positionen af den indfaldende stråle som vist i Refs. ^11,12,13.

En omfattende undersøgelse af virkningen af design parametre såsom lidelse webstedet størrelser og hændelsen bølgelængde på bjælken radius af lokaliserede strålen blev fremlagt i Refs. ^12,15.

Protocol

1.. Opdigte en Uordnede Polymer Optical Fiber

1. Spred omkring 200 af PMMA strenge på et bord og sprede det samme antal PS strenge på toppen af ​​PMMA. Mix og ompakke tråde. Gentag denne procedure, indtil 40.000 tråde PMMA tilfældigt blandes med 40.000 tråde PS.
2. Saml tilfældigt blandede tråde i en firkant præform med en side bredde på omkring 2,5 inches.
3. Trække præformen til en optisk fiber med en diameter på 250 um. Præformen trækkes på Paradigm Optics Incorporated hjælp af deres standard procedure ^16.

2.. Imaging brydningsindeksprofilen af ​​Disordered Fiber

1. Brug et SEM såsom Topcon ABT til billede brydningsindeksprofilen af ​​den resulterende optiske fiber.
2. Sænk polymer optisk fiber prøver i flydende nitrogen i ca 10 min, og derefter bryde i halve.
3. Nedsænkes de knækkede spidser prøverne i ethanol. Keep temperaturen af ​​opløsningen ved omkring 65 ° C. Efterlad prøverne i opløsningen i ca 3 minutter, indtil ethanol opløser PMMA steder i fiberen.
4. Coat hver prøve med en 10-nm-tykt lag af Au / Pd og placere prøven i kammeret af SEM.

3.. Forberedelse af Fiber Prøver til optisk karakterisering

1. Forbered 5 cm lange fibre prøver.
2. Opvarm en buet blad til 65 ° C, og fiberen til 37 ° C. Brug de rigtige temperaturer forhindrer deformation af fiberen spids, der kan forekomme i spaltning processen.
3. Juster spidsen af ​​fiberen på en skærende overflade, så en ren, skåret vinkelret kan foretages. Anbring bladet på den side af fiberen, og derefter hurtigt rulle tværs.
4. Inspicere fiberspidsen med et optisk mikroskop for at sikre fiberspidsen spaltes vinkelret på fiber sider. Hold barberblad i en ret vinkel i spaltning processen for at forhindre kipning af the tip.
5. Brug en polering papir, såsom Thorlabs LFG03P Aluminum Oxide Polering Papir (0,3 um) for at polere fiber prøver. At polere fiber ende, holde det i en pincet, med pincet gribende fiberen cirka 1,5 mm væk fra ansigtet bliver poleret. Trække fiberen over papiret i en tomme lang 8-tals-formede kurver, cirka otte gange. Figur-8-formede kurver sikre, at hele spids er poleret.

4.. Måling af Beam profil af den opformeret Beam i fiberen Samples

1. Couple på He-Ne laser ind i en SMF630hp fiber ved hjælp af en 20X objektiv og to flade spejle. Placer de flade spejle på etaper med to frihedsgrader. Placer målet på en scene med tre frihedsgrader. Oprindeligt holde SMF fiber en afstand på 8 mm væk fra målet spids. Brug af knapperne på spejlet indehavere og målet indehaveren, belyse laserlys til spidsen af ​​fiberen. Forbind den anden side af SMF til en energimåler. Couple magt i SMF hjælp af drejeknapper på spejlet indehavere samt de tværgående knapper på objektive holder. Effektiviteten af ​​koblingen kan øges betydeligt ved at anvende den langsgående positionering knop på objektive holder. En kombineret effekt på 1 mW er nok for målingerne.
2. Koble SMF630hp fiber til polymeren optiske fiber ved hjælp Thorlabs MAX343 motoriseret trin. Den motoriserede fase kan flyttes i de tre kartesiske retninger. Hjælp de tværgående grader af frihed, SMF fiber parret til centrum af polymer fiber spids. Brug den langsgående forskydning af scenen, placere SMF fiber så tæt som muligt til den polymere fibre. En mindre luftspalten mellem SMF og polymerfiberen reducerer udvidelse af strålen. Anbring hele opsætningen på en anden motoriseret fase, der bevæger sig i den langsgående retning. Den anden motoriserede trin anvendes til billeddannelse som det vil blive beskrevet i 4.4.
3. Brug af et optisk microscope og en retvinklet spejl, overvåge positionen af ​​SMF og polymerfiberen at sørge for, at SMF er koblet i midten af ​​polymer fiber, og at luftspalten mellem de to fibre er så lille som muligt. En lille hældning i polymerfiberen spids eller deformationer i polymerfiberen spids på grund af spaltning eller polering processer kan begrænse den minimale luftspalten mellem SMF og polymer fiber. En lille hul mellem fibrene er nødvendig, fordi SMF fiber skal kunne bevæge sig rundt på spidsen af ​​polymer fiber. Placer SMF i centrum af polymer fiber udelukkende at gøre koblingen processen lettere. Under eksperimentet, feje tværs den indfaldende stråle, der kommer ud af SMF tværs spidsen af ​​polymerfiberen at observere lokalisering i forskellige regioner af polymer fiber.
4. Brug et CCD kamera stråle profiler at måle output af fiberen ved hjælp af en 40X mål. Først mætte CCD-kameraet til at overvåge grænserne for polymer fiber.Brug af knapperne på målsætningen holder, sørg for, at de polymere fibre grænser kan iagttages på CCD.
5. Brug en motoriseret etape, der flytter hele opsætningen (beskrevet i 4.2) langs, sørg billedet på CCD er fokuseret ved at bevæge setup væk eller mod 40X mål, mens CCD og objektiv er faste. Som en metrik til fokusering, skal en afbildet profil på CCD have mindstemålet på fokus. En målrettet billede af strålen bør ikke være visuelt snoede.
6. Flyt den indfaldende stråle på input spids og måle output stråleintensiteten for forskellige indfaldende strålebundt positioner. Indsamle data til 5 forskellige positioner af den indfaldende stråle. Udfør de målinger for 20 fiberprøverne og indsamle i alt 100 forskellige målinger.

Representative Results

Den SEM-billede af den polerede fiber er vist i figur 1.. SEM billedet i Figur 1 viser, at for de fleste regioner i fiberspidsen, polish kvalitet er god. SEM billede af fiber prøver med deres ender opløst i ethylalkoholopløsning, figur 2, viser PMMA steder i mørke og PS steder i grå farver. SEM billede i figur 2 er zoomet ind på en 24 um bredde af fiberen. Efter SEM billeddannelse fiberprøverne overtrukket med en 10 nm tykt lag af Au / Pd.

Målingen opsætning anvendes i dette forsøg er vist i figur 3.. Udgangen stråleintensitet målt af CCD stråle profileren i en prøve af 5 cm længde er vist i fig. 4. Intensiteten profil viser, at strålen er lokaliseret i den tværgående retning af det uordnede fibre. For at billedet intensiteten profilen, den omgivende støj korrektion mulighed for CCD c amera skal være tændt. Dog kan denne mulighed ikke være helt effektiv. For at beregne det samlede støjniveau i intensiteten profilbillede, har vi også afbildet intensiteten profil SMF630hp fiber og tilstanden marken diameter blev beregnet. For en udvalgt støjniveau er den eksperimentelle måling af tilstanden felt diameter matchet med de indberettede oplysninger fra producenterne. Den samme værdi af støjniveauet skal bruges til fortolkning af fig. 4. Et hundrede forskellige intensitet profiler af de lokaliserede stråler måles ved at flytte input SMF630hp fiber i de tværgående stillinger i kobling med polymer fiber til 20 forskellige prøver Et hundrede målinger af bjælkeprofiler midles for at vise den tværgående Anderson lokalisering i en uorganiseret optisk fiber som præsenteres i Ref. ^11..

ighres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50679/50679fig1.jpg "/>
Figur 1. Poleret Fiber Face. SEM billede af poleret fiberspidsen. Kvaliteten af ​​polish er godt for de fleste regioner i fiber spids.

Figur 2. Brydningsindeksprofil. Brydningsindeksprofilen af den forstyrrede polymerfiber. PMMA sites er i mørkere farve og PS sites er lysegrå. Bredden af ​​billedet er 24 um.

Figur 3. Forsøgsopstillingen. Forsøgsopstillingen for målinger. CCD-kamera (A) og objektiv (C) er monteret oven på hinanden. En retvinklet spejl (D) giver mulighed for visning af fiberen (E) fra flere vinkler for at sikre en korrekt kobling.

Figur 4.. Intensitet Profile. Intensitet profil formeret strålen efter 5 cm af formering. Bredden af ​​billedet er 250 um.

Discussion

I fiberen draw processen betyder brydningsindeksprofilen ikke forblive konstant i mere end en meter, både på grund af de cross-overs af de originale fiberstrengene og også på grund af variationer af fiber diameter i lodtrækningen processen. Vi forventer, at en mere stabil draw proces vil bidrage til at fabrikere en optisk fiber, der er invariant over længere fiberlængder sammenlignet med det rapporterede her.

I forbindelse med udarbejdelsen af en prøve for SEM billeddannelse af fiber spids, er vi nødt til at sikre, at stikprøven forbliver i 70% e THYL alkohol løsning for en lang nok tid (~ 3 min) og forbliver ved den rigtige temperatur (65 ° C) . Hvis prøven forbliver i e THYL alkohol løsning meget længere end 3 min kræves at ætse væk det øverste lag af PMMA, kan fiberspidsen smuldrer.

I butt-kobling af SMF630hp fiber til polymer fiber, er det vigtigt, at hændelsen fiber er så tæt som muligt på polymerfiberen at undgå væsentlig diffraktiv udvidelse af strålen før den når uordnede fibre. Vi er også nødt til at bruge et indeks-matching væske for at mindske spredningen af ​​lys ved koblingen.

Vi bør bemærke, at flytte hændelsen felt over endeflade uordentlig fiber ændrer position lokaliseret stråle på outputtet. I forskellige regioner i polymerfiber, observere vi variationer i lokaliserede beam radius, som forventet ud fra den statistiske karakter af Anderson lokalisering. Nogle af denne variation kan også tilskrives kvaliteten af ​​polering af fiberens ende. Som SEM-billede af de polerede fiber viser, er kvaliteten af ​​polsk ikke den samme i alle regioner i fiberens ende. På grund af denne begrænsning, brugte vi den mindste lokaliseret stedet, vi kunne finde på tværs fiberenden for hvert forsøg og derefter foretaget de resterende målinger i nabolaget af de bedste lokaliserede stedet.

NDHOLDET "> Fjernelse af omgivende støj er afgørende for beregningen af ​​den stråle radius af lokaliserede stråle. Hvis det ikke fjernet, kan den omgivende støj resultere i en fejl i beregningen af ​​bjælken radius af CCD beam Profiler billeder. Vi kalibreret vores analyse til sikre, at vi får den korrekte værdi af bjælken diameter på omkring 4 um for SMF630hp fiber ved 633-nm bølgelængde.

Numerisk modellering af lys lokalisering i polymer uordnede fibre i Ref ^11,12 til tabsfri materialer viser, at bølgen helt kan begrænses i de tværgående retninger af fiber uden dæmpning i magten. På den anden side, er det materiale absorption i vore fibre betydelig og fiberen dæmpningen er på niveau med 0,5-1,0 dB / cm. Vi forventer, at tabet at være betydeligt lavere i silica-baserede uordnede fibre.

I fremtiden forventer vi forbedre tabsegenskaber af uordnede fibre ved at forbedre fabrikation PRocedure (fx en mere stabil draw processen) og også ved hjælp af lavere tab komponenter. Den ideelle uordnede optiske fiber vil blive sammensat af glas med tilfældige lufthuller ved 50% ratio. Som vi har vist i ref. ^12. forventer vi, at den større forskel i brydningsindekser af to materialer resulterer i reducerede variationer af den lokaliserede beam radius. Vi har for nylig præsenterede vores første resultater i glas optisk fiber med uordnede air-hullers steder i ref. ^17. og foregribe fremtidige fremskridt i glas-baserede uordnede fibre.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
poly (methyl methacrylate) (PMMA)
polystyrene (PS)
70% ethyl alcohol solution at 65 °C