Summary
我々は、新規導波メカニズムとして横アンダーソン局在を使用無秩序ポリマー光ファイバを開発し、特徴づける。この微細構造光ファイバは、従来の光ファイバのビーム半径に匹敵する半径の小さなローカライズビームを輸送することができる。
Abstract
我々は、新規導波メカニズムとして横アンダーソン局在を使用無秩序ポリマー光ファイバを開発し、特徴づける。開発されたポリマー光ファイバをランダムに混合し、250μmの側幅正方形の断面光ファイバに線引きされているポリ（メチルメタクリレート）（PMMA）、ポリスチレン（PS）の80,000ストランドで構成されている。最初は、それぞれの鎖は、長径と8インチで200μmである。元の繊維ストランドの混合プロセスの間に、繊維が互いにクロスオーバーしたが、大きな延伸比は、屈折率プロファイルは、数十センチのためにファイバの長さに沿って不変であることを保証する。従来の光ファイバのビーム半径に匹敵する小さな局所的なビーム半径で無秩序部位結果の間0.1の大きな屈折率差。入力された光は突合せ結合方式とNEAを使用して、標準のシングルモード光ファイバから起動さ不規則ファイバからのr-フィールド出力ビームは、40X対物レンズとCCDカメラを用いて撮像される。出力ビーム径は数値シミュレーションから予想される結果とよく一致している。この研究で示さ不規則光ファイバは、2Dアンダーソン局在の最初のデバイスレベルの実装であり、潜在的に画像輸送および短距離光通信システムに使用することができる。
Introduction
PWアンダーソン1による理論的研究では、量子電子システム内の障害の存在下で、拡散プロセスが停止し、局所的な電子状態を開発することが示された。アンダーソン局在も光などの古典的な波が発生する可能性があります波動現象である。光学2,3におけるアンダーソン局在の理論的な予測なので、4,5電磁波を実験的にこの現象を実現するために多くの努力がなされている。光散乱断面積が最も光学材料の低屈折率コントラストのために頻繁には小さすぎるので、それは強力な局在化を達成することが非常に困難であった。 1989年に、デRaedt ら 6は、低屈折率コントラストを有する準2次元無秩序光学系においてアンダーソン局在を観察することが可能であることを示した。彼らは、障害が支柱の横断面に限定されている場合はことを示した縦方向に不変培地で波をagating、ビームは強い横散乱による横方向に小さな領域に閉じ込められたままできます。横アンダーソン局在は、まずフォトリフラクティブ結晶7における干渉パターンを使用して作成された二次元光導波路で観察された。石英ガラスは無秩序導波路はサンプルに沿って、フェムト秒パルスを用いて書かれている横方向のアンダーソン局在8,9、の観察に用いられてきた他の媒体です。上述したシステムにおける不規則部位の屈折率差が10 -4のオーダーであるので、ローカライゼーション半径が非常に大きい。さらに、典型的な導波路は、通常数センチより長いではありませんので、彼らは導波アプリケーション用に実用的ではないかもしれない。私たちは、一次元無秩序導波路における横アンダーソン局在の観察、以前再で報告されたことを指摘F 10。
ここで開発された光ファイバは、導波アプリケーション11,12用横アンダーソン局在の以前の実現に比べていくつかの利点があります。まず、規則的な光ファイバのビーム半径と同程度の小さな局所的なビームファイバー結果の障害部位の間0.1の屈折率差が大きい。第二に、ポリマー無秩序な光ファイバがはるかに長いリフラクティブ結晶または溶融シリカに外部から書き込む無秩序波路より行うことができます。私たちは、60 cmの長繊維11の横アンダーソン局在を観察することができました。第三に、ポリマー無秩序光ファイバは、ファイバ13の光の波の輸送に依存している現実世界のデバイスレベルのアプリケーションのための、それが実用的な作り、柔軟性があります。
、乱れた光ファイバを製造するPMMAの40,000ストランドとPSの40,000ストランドがランダムに混在していた、どこにそれぞれSTRためにと直径8インチの長さと250であった。ランダムに混合ストランドは、約2.5インチの側幅正方形断面プリフォームに組み立てた。プリフォームは、その後、約250μm（ 図1）側の幅が正方形の光ファイバに描かれた。ランダムに元の繊維ストランドを混合するために、我々は、大規模なテーブルの上にPMMA繊維ストランドの層を広めるPS繊維ストランドの層を加えた後、ランダムにそれらを一緒に混合した。良好なランダム混合物が得られるまで手順を何度も繰り返した。
我々は、無秩序なポリマー光ファイバの画像屈折率プロファイルを走査型電子顕微鏡（SEM）を使用した。ブレードが損傷ファイバ端部の形態をので、このような鋭利な刃を用いて加熱されたとして正規劈開手法は、その屈折率プロファイルをマッピングするためにファイバ端部のSEM撮像用ファイバのサンプルを調製するために使用することができない。繊維を研磨すると、目の上に同じような有害な影響を与えているファイバ端の電子品質。 SEMイメージングのための高品質の試料を調製するために、我々は数分間液体窒素で各繊維を沈めた後、繊維を壊し、十分な繊維サンプルで行われている場合、15％の成功の周りにいくつかの良い繊維片（このメソッドの結果率）SEM撮像のための非常に高品質で滑らかな端面を有する。私たちは、その後60℃70％のエチルアルコール溶液を使用した°の繊維の端にPMMAサイトを溶解するために約3分間、長い露光全体ファイバ端を分解することができます。次に、金/パラジウムでコーティングしたサンプルをSEM室内にそれらを置いた。ズームインした不規則なポリマー光ファイバのSEM像を図2に示されている。ライトグレーのサイトはPSであり、ダークサイトはPMMAである。画像の幅の合計は、このイメージの最小特徴サイズは繊維ストランドの個々のサイトの大きさに対応する〜0.9μmで、描画処理の後である24μmで。
ます特性にするために乱れた光ファイバの導波特性をRIZE、私たちは、633 nmの波長でのHe-Neレーザーを使用していました。ヘリウムネオンレーザ次いで、高精度な電動ステージを使用して不規則なポリマー光ファイバに突き合わせ結合される約4μmのモードフィールド径を有するシングルモードSMF630hp光ファイバに結合されている。出力は、40X対物レンズを用いてCCDカメラのビームプロファイラ上に結像される。
最初の実験では、20種類の不規則繊維サンプル、それぞれ5-cmの長さを選んだ。5 cmの長さは、我々の数値シミュレーションにおける伝搬長さに合うように選ばれた。無秩序繊維の数値シミュレーションでも1,100の要素を持つ、高性能コンピューティング·クラスタ上で、一般的には非常に時間がかかるです。 633nmの波長のための完全な横アンダーソン局在のみ伝播11,12の約2.5 cmの後に発生するので、我々は5センチの長さが我々の目的のために十分であることを決定した。 STOCのためアンダーソン局在のhastic性質は、我々は、平均ビーム径の実験と数値を比較するために十分な統計情報を収集するために、100実現するための実験とシミュレーションの両方を繰り返す必要があった。実際には、100種類の測定は、20の異なる不規則繊維試料の各々に5空間的に分離さ測定を行うことによって得られる。
これは、ガラス光ファイバと比較して、測定のために不規則なポリマー光ファイバを製造するためにかなり困難である。たとえば、1は、標準的なシリカ系繊維のためによく開発され、高度な切断及び研磨ツールと技術を使用することはできません。ポリマー光ファイバを切断し、研磨するための洗練された手順は、アブディらによって報告されている14、。当社は繊維試料を調製するために、いくつかのマイナーな修正を加えて、そのメソッドを使用していました。劈開ポリマー不規則光ファイバするために、湾曲したX-ACTOブレードを65℃に加熱する、C、および37°Cファイバ。きれい、垂直切断を行うことができるように、ファイバの先端が切断面上に整列される。ブレードは、ファイバの側に配置され、かつ迅速に渡って巻かれる。全体劈開プロセスは、ブレードおよび繊維の温度が大きく変化しないように、できるだけ速く行われるべきである。繊維を切断し、光学顕微鏡下でそれを検査した後、ファイバー端が軽微な欠陥が削除されていることを確実にするために標準ファイバラッピングシート（0.3μmのソーラボLFG03P酸化アルミニウム研磨紙）を使用して研磨される。ファイバ端部を研磨するためには、約1.5mm離れて研磨される端面から光ファイバを保持するピンセットをピンセットで保持される。繊維は、1インチの長い8の字型のパス、約8倍で紙の上に描かれています。光学顕微鏡で検査としてスムーズエッジ中の繊維の結果を研磨。また、研磨はLOCAへの適切な結合を促進する局所的なスポットを形成する前に、順番に結合や、初期伝搬距離の両方の減衰を低減する繊維でlizedスポット。
我々は、画像出力ビーム強度にCCDカメラビームプロファイラを使用していました。近接場強度プロファイル40X対物レンズを用いて撮影された。繊維の境界を見つけるために、我々はSMF630hpファイバからの入射光のパワーを増加させることによってCCDを飽和させた。境界に関してローカライズビームの強度プロファイルを検出した後、我々は自動露出オプションにCCDビームプロファイラを設定します。我々は、有効ビーム径を計算するために、強度分布の画像を用いる。周囲ノイズの影響を除去するために、我々はSMF630hp繊維の予想ビーム径を得ることを保証するために、画像処理手順を較正し。平均値の周りにビーム半径とそのバリエーションの平均測定値はヌメとよく一致ricalシミュレーションは、として文献11に示すように。ポリマー繊維で出力ビームのプロファイルは明らか文献に示すように、入射ビームの位置変化に追従。11,12,13。
このような局所的な光のビーム半径上の障害部位サイズと入射波長として設計パラメータの影響の包括的な研究は、文献に発表された。12,15は 。
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Protocol
1。乱れたポリマー光ファイバを製造する
- テーブルの上にPMMA鎖の約200広がり、PMMAの上にPSストランドの同じ数を広げた。ミックスとストランドを再梱包。 PMMAの40,000ストランドがランダムにPSの40,000ストランドと混合されるまでこの手順を繰り返します。
- 約2.5インチの横幅の正方形のプリフォームに無作為に混合ストランドを組み立てる。
- 250μmの径の光ファイバにリフォームを描く。リフォームは、その標準的な手順16を使用して株式会社パラダイム·オプティックスで描画されます。
2。イメージング乱れファイバの屈折率プロファイル
- 結果として得られる光ファイバの画像屈折率プロファイルになどトプコンABTなどSEMを使用してください。
- 水没は、ポリマー光ファイバの約10分間、液体窒素中でサンプルとその後半分に破る。
- エチルアルコールに水没サンプルの壊れたヒントを。柯約65℃での溶液のEP温度エチルアルコールは、ファイバ中のPMMAサイトを溶解するまで、約3分のためのソリューションのサンプルをしておきます。
- のAu / Pdを10 nmの厚さの層で被覆各サンプルとSEMのチャンバー内にサンプルを配置します。
3。光学特性評価のためのファイバサンプルの準備
- 長さ5cm繊維サンプルを準備します。
- 65℃に湾曲した刃を熱し、37に繊維°C。右の温度を使用すると、切断工程で発生する可能性が繊維先端の変形を防ぎます。
- きれいな、垂直カットを行うことができるように、切断面にファイバーの先端を合わせます。繊維の側面に刃を置き、その後すぐに渡って転がる。
- ファイバ先端を繊維側に垂直に切断されていることを確認するために光学顕微鏡を用いた繊維の先端を点検。番目の傾きを防止するために劈開工程において直角にカミソリの刃を保つ電子チップ。
- 繊維サンプルを研磨するなどソーラボLFG03P酸化アルミニウム研磨紙（0.3μm）のように研磨紙を使用してください。ファイバ端を磨くために、ピンセットが研磨される面から約1.5mm離れて繊維を把持して、ピンセットでそれを保持する。 1インチ長い8の字型のパス、約8倍で紙の上に繊維を描画します。 8の字型のパスは全体先端が研磨されていることを確認してください。
4。ファイバサンプルで伝播光のビームプロファイルを測定
- カップル20X客観的かつ二つの平面ミラーを用いSMF630hp繊維へのHe-Neレーザ。つの自由度でステージ上の平面ミラーを配置します。 3つの自由度でステージ上で目標を置きます。当初は8ミリメートルの距離が離れて客観的な先端からSMFファイバを保つ。ミラーホルダと対物ホルダにノブを使用して、ファイバの先端にレーザ光を照射する。 Sの反対側を接続しますパワーメータにMF。客観的なホルダーにミラーホルダーのノブだけでなく横断ノブを使用してSMFに結合力。結合の効率が大幅対物ホルダに長手位置決めノブを使用して増加させることができる。 1 mWのの結合力が十分測定用です。
- ソーラボMAX343電動ステージを用い、ポリマー光ファイバに結合SMF630hp繊維。電動ステージは、3つのデカルト座標の方向に移動させることができる。カップルSMFファイバポリマー繊維先端の中心に、自由の横断度を使用する。ステージの縦方向の変位を用いて、ポリマー繊維にできるだけ密接にSMFファイバを配置。 SMFとポリマー繊維の間に小さいエアギャップは、ビームの拡大を低減します。長手方向に移動する第二の電動ステージ上の全体設定を置きます。 4.4で説明されるように第2電動ステージは、撮像のために使用される。
- 光学Mを用いicroscopeと直角ミラーは、SMFは、ポリマー繊維の中心に結合され、2つのファイバの間のエアギャップはできるだけ小さいことされていることを確認するにはSMFとポリマー繊維の位置を監視する。ポリマー繊維の先端にあるポリマー繊維の先端又は変形の小さい傾斜は、プロセスを切断または研磨するため、SMF及びポリマー繊維間の最小エアギャップを制限することができる。 SMFファイバ、ポリマーファイバの先端に動き回ることができなければならないので、繊維間の小さなギャップが必要である。もっぱらカップリングプロセスを容易にするためにポリマー繊維の中心にSMFを置きます。実験中、横方向にポリマー繊維の異なる領域に局在を観察するポリマー繊維の先端を越えSMFから出てくる入射ビームをスイープ。
- 40X対物レンズを用いて光ファイバの出力を測定するためにCCDカメラビームプロファイラを使用してください。まず、ポリマー繊維の境界を監視するためにCCDカメラを飽和させる。客観的なホルダーにノブを使用し、ポリマー繊維の境界は、CCD上で観察することができることを確認します。
- 縦方向に全体のセットアップ（4.2で説明）移動電動ステージを使用し、CCD上の画像は、CCDと客観が固定されている間離れてまたは40X目標に向けたセットアップを移動することによって焦点を合わせていることを確認します。集束するための指標として、CCD上に結像プロファイルが焦点に最小サイズを持っている必要があります。ビームの焦点を当てて画像を視覚的に巻き線されるべきではない。
- 入力先端に入射ビームを移動させ、異なる入射ビーム位置の出力ビームの強度を測定する。入射ビームの5つの異なる位置のデータを収集。 20繊維サンプルの測定を実施し、100種類の測定値の合計を収集します。
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Representative Results
研磨されたファイバのSEM像を図1に示されている。ファイバ先端のほとんどの地域のために、磨く品質は良いですが、その図1に示すようにSEM像。エチルアルコール溶液、 図2に溶解させ、それらの端部を有する繊維試料のSEM画像は、グレー色の濃いとPS部位におけるPMMA部位を示している。 図2のSEM像は、繊維の24μmの幅を拡大している。 SEM像については、繊維サンプルは、Au / Pdを10nmの厚さの層で被覆されている。
本実験で用いた測定セットアップを図3に示す。 5センチメートル長のサンプル中のCCDビームプロファイラによって測定された出力ビーム強度は、 図4に示されている。強度プロファイルがビームが不規則繊維の横方向に局在していることを示している。強度プロファイル像するためには、CCD cは周囲雑音補正オプションアメーラは、上にある必要があります。ただし、このオプションは、完全に有効ではありません。強度プロファイル画像における総雑音レベルを計算するために、我々はまたSMF630hp繊維の強度プロファイルを撮像し、モードフィールド径を算出した。選択された雑音レベルについては、モードフィールド径の実験的測定は、製造業者に報告データと一致している。ノイズレベルの同じ値は、 図4の解釈のために使用する必要がある。ローカライズされたビームの百異なる強度プロファイルは、20種類のサンプルについて、ビームプロファイルの100測定が不規則に横アンダーソン局在を示すために平均化されるポリマー繊維との結合における横方向の位置に入力SMF630hpファイバを移動させることによって測定される文献11に提示される光ファイバ。
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図1。ポリッシュファイバーフェイス。研磨ファイバ先端のSEM像。ポリッシュの質は繊維の先端のほとんどの地域に適しています。
図2。屈折率プロフィール。不規則ポリマー繊維の屈折率プロファイル。 PMMAサイトは濃い色であり、PSサイトはライトグレーです。画像の幅は24μmで。
図3。実験セットアップ。測定の実験装置。 CCDカメラ（A）と対物
図4。強度プロファイル。伝播5cmの後の伝搬ビームの強度プロファイル。画像の幅は250μmである。
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Discussion
ファイバ線引き工程において、屈折率プロファイルがあるため、元の繊維ストランドのクロスオーバーのために、また、延伸過程における繊維径の変化の両方メートル以上に一定のままではありません。我々は、より安定した描画処理はここで報告に比べ長い繊維長にわたって不変である光ファイバを製造するために役立つことを期待しています。
ファイバー先端のSEMイメージングのためのサンプルを作成するにあたり、私たちは、サンプルが十分に長い時間のために70％の電子メチルアルコール溶液に残ることを確認する必要があります（〜3分）と右の温度のまま（65°C） 。サンプルがはるかに長いPMMAのトップ層をエッチング除去するために必要な3分より電子メチルアルコール溶液中に残っている場合は、繊維の先端が崩壊することができます。
におけるポリマー繊維にSMF630hp繊維バットカップリング、入射繊維はできるだけ近くにあることが重要であるそれは不規則ファイバに到達する前に実質的な回折ビームの拡大を避けるために、ポリマー繊維。また、カップリングの光の散乱を低減するために屈折率整合液を使用する必要があります。
我々は無秩序ファイバの端面を横切って入射フィールドを移動すると、出力にローカライズされたビームの位置を変更することに注意してください。ポリマー繊維のさまざまな地域では、アンダーソン局在の統計的性質から予想されるように、ローカライズされたビーム半径の変化を観察します。本変形例の一部は、ファイバ端部の研磨の質に帰することができる。洗練された繊維ショーのSEM像としては、光沢の質はファイバ端部のすべての地域で同じではありません。この制限のため、我々は、それぞれの実験のためにファイバ端を横切って見つけることができる最小のローカライズされた場所を使用して、最高のローカライズされたスポットの近くに残っているの測定を行った。
ontentは ">周囲の雑音を除去すると、ローカライズされた光のビーム半径を計算するために重要です。削除されていない場合は、周囲の雑音がCCDビームプロファイラ画像のビーム半径の計算でエラーが発生することがあります。我々に我々の分析をキャリブレーション我々は、633 nmの波長でSMF630hp繊維用4程度のビーム径の正しい値を取得することを確認してください。ロスレス材料の文献11,12におけるポリマー無秩序繊維における光局在の数値モデリングは波が完全に電源のあらゆる減衰することなく、繊維の横方向に閉じ込めることができることを示しています。一方、我々の繊維材料で吸収は相当なものとファイバの減衰は、0.5のレベルにある - 1.0デシベル/ cmであった。私たちは、損失がシリカ系無秩序繊維はかなり低くなることを期待しています。
今後は、製造広報を改善することにより、不規則ファイバの損失特性を改善することが予想されるocedure（ 例えば、より安定したドロー法）、さらに下位の損失成分を使用して。理想的な無秩序な光ファイバは、50％の割合でランダム空気孔を有するガラスから構成される。我々は、文献に示されたように、図12、我々は、ローカライズされたビーム半径の減少のバリエーションで2つの材料の結果の屈折率差が大きいことを期待しています。我々は最近、17。文献[無秩序空気穴サイトとガラス光ファイバで私たちの最初の結果を発表し、ガラス系無秩序繊維中の今後の進展を期待しています。
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Disclosures
著者は、彼らが競合する経済的利益を持っていないことを宣言します。
Acknowledgments
この研究は、国立科学財団からの助成金番号1029547でサポートされています。著者らは、初期の繊維セグメントおよび最終的な光ファイバの再描画を提供するためのパラダイムオプティクス社よりDJウェルカーを確認したいと思います。著者はまた、スティーブン·ハードキャッスルとSEMイメージング用ヘザーA.オーウェンを認める。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| poly (methyl methacrylate) (PMMA) | |||
| polystyrene (PS) | |||
| 70% ethyl alcohol solution at 65 °C |
References
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